Sebuah teori baru, yang menjelaskan bagaimana cahaya dan materi berinteraksi pada tingkat kuantum telah memungkinkan para peneliti untuk pertama kalinya mendefinisikan bentuk tepat dari sebuah foton. (Kredit: Dr Benjamin Yuen)
BIRMINGHAM, Inggris Raya — Untuk pertama kalinya dalam sejarah fisika, para ilmuwan telah mengembangkan kerangka matematika yang memungkinkan mereka memvisualisasikan bentuk tepat dari sebuah partikel cahaya, yang dikenal sebagai foton. Terobosan ini, yang dicapai oleh para peneliti di Universitas Birmingham, mewakili kemajuan mendasar dalam pemahaman kita tentang bagaimana cahaya berinteraksi dengan materi pada tingkat kuantum.
Pada intinya, penelitian ini memecahkan masalah yang membingungkan fisikawan kuantum selama beberapa dekade: bagaimana memodelkan kemungkinan tak terbatas secara akurat tentang bagaimana cahaya dapat berinteraksi dan bergerak melalui lingkungannya. Tim mencapai hal ini dengan mengembangkan pendekatan matematis baru yang mengelompokkan kemungkinan-kemungkinan yang tak terhitung jumlahnya ke dalam kumpulan yang berbeda dan dapat dikelola.
“Sifat geometri dan optik lingkungan memiliki konsekuensi besar terhadap cara foton dipancarkan, termasuk menentukan bentuk, warna, dan bahkan kemungkinan keberadaan foton,” jelas Profesor Angela Demetriadou dari Universitas Birmingham dalam sebuah pernyataan.
Untuk memahami pentingnya karya ini, yang sekarang diterbitkan di Surat Tinjauan Fisikpertimbangkan bagaimana cahaya berperilaku dalam situasi sehari-hari. Saat sinar matahari melewati jendela kaca patri, interaksinya dengan kaca menciptakan warna yang indah. Pada tingkat kuantum, interaksi ini menjadi jauh lebih kompleks, dengan foton individu berinteraksi dengan atom dan molekul dengan cara yang sulit dijelaskan secara akurat oleh model matematika sebelumnya.
Pendekatan baru tim peneliti, yang disebut “transformasi pseudomode,” memungkinkan para ilmuwan melacak dengan tepat bagaimana cahaya memantul dan berinteraksi dengan materi dalam sistem skala nano yang kompleks. Apa yang membuat metode ini sangat ampuh adalah kemampuannya untuk menggambarkan apa yang terjadi di dekat sumber cahaya dan bagaimana energi berpindah ke ruang sekitarnya.
“Perhitungan kami memungkinkan kami mengubah masalah yang tampaknya tidak terpecahkan menjadi sesuatu yang dapat dihitung,” kata Dr. Benjamin Yuen, penulis pertama studi tersebut. “Dan, hampir sebagai produk sampingan dari model tersebut, kami mampu menghasilkan gambar foton, sesuatu yang belum pernah terlihat sebelumnya dalam fisika.”
Untuk mendemonstrasikan metode mereka, para peneliti mempelajari apa yang terjadi ketika emitor kuantum (seperti atom atau molekul) berinteraksi dengan bola silikon kecil yang diameternya hanya satu mikrometer – sekitar seperseratus lebar rambut manusia. Sistem yang tampaknya sederhana ini mengungkapkan tarian kompleks interaksi kuantum yang dapat digambarkan dengan tepat oleh kerangka matematika baru mereka.
“Pekerjaan ini membantu kita meningkatkan pemahaman kita tentang pertukaran energi antara cahaya dan materi, dan kedua, untuk lebih memahami bagaimana cahaya memancar ke lingkungan terdekat dan jauh,” jelas Dr. Yuen. “Banyak informasi yang sebelumnya dianggap hanya sebagai 'kebisingan' – namun ada begitu banyak informasi di dalamnya yang kini dapat kita pahami dan manfaatkan.”
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti mengembangkan pendekatan mereka dengan memulai dengan persamaan mendasar yang menggambarkan bagaimana cahaya berperilaku dalam sistem ini. Inovasi utama mereka adalah cara mereka menangani kemungkinan perilaku cahaya yang tak terbatas dalam sistem kuantum ini. Metode sebelumnya memperlakukan ini sebagai semacam efek latar belakang buram, mirip dengan cara lensa kamera menangani area di luar fokus. Sebaliknya, tim Birmingham mengembangkan transformasi matematis yang mengatur kemungkinan-kemungkinan tak terbatas ini menjadi rangkaian berbeda dan dapat dikelola yang disebut “mode semu”.
Tim mendemonstrasikan metode mereka menggunakan bola silikon berukuran satu mikrometer sebagai uji kasus. Apa yang membuat metode ini sangat ampuh adalah karena metode ini tidak bergantung pada asumsi penyederhanaan yang biasa dibutuhkan oleh pendekatan lain. Alih-alih memperlakukan lingkungan sekitar sebagai semacam kebisingan latar belakang yang kabur, metode mereka justru melacak bagaimana cahaya memantul dan berinteraksi dengan materi dalam sistem berskala nano yang kompleks ini, sehingga memberikan gambaran yang lengkap dan tepat tentang perilaku sistem kuantum.
Hasil Utama
Studi tersebut menunjukkan bahwa metode mereka dapat secara akurat memprediksi perilaku cahaya yang terperangkap di dekat bola silikon dan cahaya yang memancar jauh darinya. Mereka menunjukkan bagaimana berbagai jenis pemancar kuantum berinteraksi dengan bola, mengungkap perilaku kuantum kompleks yang muncul seiring waktu. Yang penting, prediksi mereka sesuai dengan apa yang diharapkan dari observasi eksperimental, sehingga memvalidasi pendekatan mereka.
Aplikasi Praktis
Implikasi dari terobosan ini melampaui fisika teoretis. Pemahaman yang tepat tentang bagaimana foton berinteraksi dengan materi pada tingkat kuantum sangat penting untuk mengembangkan:
- Sistem pemrosesan informasi kuantum
- Teknologi transportasi kuantum
- Perangkat kuantum yang lebih efisien
- Sistem optik kuantum tingkat lanjut
Keterbatasan Studi
Implementasi saat ini bekerja paling baik pada sistem yang memiliki geometri yang relatif sederhana, seperti bola. Meskipun metode ini secara teoritis dapat diterapkan pada sistem nanofotonik apa pun, penerapannya pada geometri yang lebih kompleks akan memerlukan pengembangan matematika tambahan. Para peneliti mencatat bahwa pendekatan mereka dapat diperluas ke geometri fotonik lainnya melalui kelanjutan analitik dari kepadatan lokal negara.
Diskusi & Kesimpulan
Penelitian ini memberikan gambaran lengkap dan tepat tentang interaksi materi cahaya dalam sistem nanofotonik, membuka kemungkinan baru untuk merancang perangkat kuantum. Metode ini mengatasi tantangan lama dalam mengkuantisasi sistem non-Hermitian dan memberikan kerangka kerja terpadu untuk memahami perilaku cahaya medan dekat dan medan jauh dalam sistem ini.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh Royal Society melalui University Research Fellowships (URF/R1/180097 dan URF/R/231024) dan mendapat dana dari Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC EP/X012689/1, EP/Y008774/1 dan CDT dalam Desain Topologi EP/S02297X/1). Dukungan tambahan datang dari Research Fellows Enhancement Award RGF /EA/181038.
