TUCSON, Arizona — Para ilmuwan di Universitas Arizona telah mengembangkan mikroskop elektron tercepat di dunia, yang mampu menangkap pergerakan elektron dengan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Teknik baru yang menakjubkan ini, dijuluki “attomicroscopy,” memungkinkan para peneliti mengamati perilaku elektron pada rentang waktu yang diukur dalam attodetik — satuan waktu yang sangat singkat sehingga jumlah attodetik dalam satu detik sama banyaknya dengan jumlah detik sejak Big Bang!
Diterbitkan di jurnal Kemajuan Ilmu Pengetahuankemajuan ini mewakili lompatan maju yang signifikan dalam kemampuan kita mempelajari dan memahami perilaku dasar materi pada skala atom. Implikasi dari terobosan ini melampaui bidang ilmu pengetahuan murni, dan berpotensi merevolusi bidang ilmu material hingga komputasi kuantum.
Inti dari inovasi ini adalah mikroskop elektron transmisi (TEM) yang dimodifikasi yang menggunakan pulsa laser ultracepat untuk memanipulasi elektron. Dengan mengendalikan pulsa laser ini secara tepat, para peneliti mampu menciptakan ledakan elektron yang sangat singkat, hanya berlangsung sepersekian femtodetik – yang setara dengan satu kuadriliun detik.
“Dengan mikroskop ini, kami berharap komunitas ilmiah dapat memahami fisika kuantum di balik bagaimana sebuah elektron berperilaku dan bagaimana sebuah elektron bergerak,” kata ketua peneliti Mohammed Hassan, profesor fisika dan ilmu optik di Universitas Arizona, dalam sebuah pernyataan.
Untuk mendemonstrasikan kemampuan teknik baru mereka, tim menggunakan attomicroscopy untuk mempelajari perilaku elektron dalam graphene, bahan yang terdiri dari satu lapisan atom karbon yang disusun dalam pola sarang lebah. Graphene telah mendapatkan perhatian yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir karena sifat listrik dan mekaniknya yang unik, menjadikannya subjek yang ideal untuk penelitian perintis ini.
Percobaan mengungkapkan bahwa ketika terkena pulsa laser yang intens, elektron dalam graphene berperilaku dengan cara yang sebelumnya tidak mungkin diamati secara langsung. Para peneliti mampu melacak pergerakan elektron ketika mereka merespons medan listrik laser, bergerak di antara keadaan energi yang berbeda dan melintasi struktur material.
Salah satu temuan yang paling mencolok adalah pengamatan seberapa cepat elektron dalam graphene merespons rangsangan eksternal. Studi tersebut menunjukkan bahwa elektron-elektron ini dapat bereaksi terhadap perubahan medan laser dalam waktu kurang dari satu femtodetik, menunjukkan potensi perangkat elektronik ultracepat yang dapat beroperasi pada kecepatan jauh melebihi kecepatan yang dimungkinkan saat ini.
Tingkat detail dalam mengamati perilaku elektron belum pernah dicapai sebelumnya dan membuka jalan baru untuk memahami dan berpotensi mengendalikan dunia kuantum. Kemampuan untuk mengamati pergerakan elektron secara real-time dapat membawa kemajuan dalam bidang-bidang seperti konversi energi matahari, dimana memahami perilaku elektron secara tepat sangat penting untuk meningkatkan efisiensi.
Perkembangan attomikroskopi merupakan pencapaian teknis yang signifikan. Para peneliti harus mengatasi banyak tantangan untuk menciptakan dan mengendalikan pulsa elektron dalam rentang waktu yang singkat. Hal ini termasuk mengembangkan metode baru untuk menyinkronkan pulsa laser dengan berkas elektron dan merancang komponen optik khusus untuk memanipulasi elektron di dalam mikroskop.
Hassan dan rekan-rekannya mendasarkan penelitian mereka pada pencapaian Pierre Agostini, Ferenc Krausz, dan Anne L'Huilliere yang memenangkan Hadiah Nobel, yang memenangkan Hadiah Novel bidang Fisika pada tahun 2023 setelah menghasilkan pulsa radiasi ultraviolet ekstrem pertama yang sangat pendek sehingga dapat diukur dalam satuan waktu. attodetik.
Meskipun penelitian ini merupakan langkah maju yang signifikan, penting untuk dicatat bahwa bidang ilmu attodetik masih dalam tahap awal. Seperti halnya teknik ilmiah baru, penyempurnaan dan validasi lebih lanjut diperlukan sebelum attomikroskopi menjadi alat yang digunakan secara luas. Namun, potensi penerapannya sangat besar, dan terobosan ini membuka kemungkinan baru yang menarik untuk menjelajahi dunia kuantum dengan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan mikroskop elektron transmisi yang dimodifikasi yang dilengkapi dengan sistem laser ultracepat. Laser yang kuat dipecah dan diubah menjadi dua bagian – pulsa elektron yang sangat cepat dan dua pulsa cahaya ultra-pendek. Pulsa cahaya pertama, yang dikenal sebagai pulsa pompa, memasukkan energi ke dalam sampel dan menyebabkan elektron bergerak atau mengalami perubahan cepat lainnya. Pulsa cahaya kedua, yang disebut “pulsa gerbang optik”, menciptakan jendela waktu singkat di mana pulsa elektron attodetik tunggal yang diberi gerbang dihasilkan. Dengan menyinkronkan pulsa-pulsa ini secara hati-hati, para peneliti dapat mengontrol kapan pulsa elektron menyelidiki sampel untuk mengamati proses ultracepat pada tingkat atom.
Hasil Utama
Pulsa elektron attodetik memungkinkan tim mengamati perubahan pola difraksi graphene dengan resolusi waktu yang belum pernah terjadi sebelumnya. Mereka mampu mendeteksi osilasi intensitas elektron yang terdifraksi yang berhubungan dengan pergerakan elektron dalam kisi graphene. Osilasi ini terjadi dalam rentang waktu kurang dari satu femtodetik, yang menunjukkan respons elektron yang sangat cepat terhadap medan laser yang diterapkan.
Keterbatasan Studi
Meskipun merupakan terobosan, teknik ini saat ini memerlukan peralatan dan keahlian yang sangat terspesialisasi, sehingga membatasi penerapannya secara luas. Percobaan dilakukan pada graphene, bahan yang relatif sederhana, dan penerapan teknik ini pada sistem yang lebih kompleks mungkin menimbulkan tantangan tambahan. Selain itu, interpretasi hasil bergantung pada model teoretis yang mungkin memerlukan penyempurnaan lebih lanjut seiring kemajuan bidang ini.
Diskusi & Kesimpulan
Studi ini menunjukkan kelayakan mikroskop elektron resolusi attodetik, membuka kemungkinan baru untuk mempelajari proses elektronik ultracepat dalam material. Kemampuan untuk mengamati pergerakan elektron secara langsung pada rentang waktu ini dapat mengarah pada pemahaman yang lebih mendalam tentang fenomena seperti fotosintesis, katalisis, dan superkonduktivitas suhu tinggi. Para peneliti berpendapat bahwa teknik ini dapat diterapkan pada berbagai bahan dan dapat membantu menjembatani kesenjangan antara spektroskopi attodetik dan studi dinamika struktur ultracepat.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini didanai oleh beberapa organisasi, termasuk Gordon dan Betty Moore Foundation, Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, dan WM Keck Foundation. Salah satu peneliti juga mengakui dukungan dari Branco Weiss Fellowship. Para penulis menyatakan tidak ada kepentingan yang bersaing.