Kristal waktu bukan lagi fiksi ilmiah: Inilah yang perlu diketahui tentang terobosan terbaru

KARLSRUHE, Jerman — Dalam sebuah terobosan yang membawa kita lebih dekat ke teknologi optik generasi mendatang, para peneliti telah mendemonstrasikan pendekatan teoritis baru untuk mengendalikan dan memperkuat cahaya menggunakan apa yang mereka sebut “kristal waktu fotonik.” Inovasi ini dapat membantu mengatasi hambatan besar dalam pengembangan sistem komputasi dan telekomunikasi optik yang canggih.

Kristal waktu fotonik adalah bahan buatan yang sifat elektromagnetiknya tetap seragam di ruang angkasa tetapi berubah secara berkala seiring waktu. Tidak seperti kristal biasa yang memiliki pola berulang dalam ruang, struktur ini menciptakan pola yang berulang dalam waktu. Pola temporal ini menciptakan apa yang oleh para ilmuwan disebut sebagai “celah pita momentum” – suatu kondisi khusus di mana cahaya dapat diperkuat secara eksponensial seiring berjalannya waktu.

“Sebelumnya kami harus mengintensifkan variasi periodik sifat material seperti indeks bias untuk mencapai celah pita yang lebar. Hanya dengan cara ini cahaya dapat diperkuat,” jelas Puneet Garg, salah satu penulis utama studi tersebut, dalam sebuah pernyataan. “Karena pilihan untuk melakukan hal tersebut terbatas pada sebagian besar material, ini merupakan tantangan besar.”

Tantangan mendasarnya adalah menciptakan kristal waktu fotonik memerlukan bahan yang dapat mengubah sifat optiknya hampir 100% – suatu prestasi yang memerlukan energi dalam jumlah besar. Dengan material yang ada saat ini, untuk mencapai perubahan dramatis tersebut diperlukan kekuatan pompa laser yang sangat tinggi hingga puluhan terawatt per sentimeter kubik. Energi yang begitu kuat dapat dengan cepat merusak material yang digunakan.

Tim peneliti, yang dipimpin oleh para ilmuwan dari The Karlsruhe Institute of Technology, Harbin Engineering University, dan institusi lainnya, menemukan solusi inovatif melalui apa yang mereka sebut “metasurfaces resonansi.” Alih-alih mencoba memaksakan perubahan dramatis pada material biasa, mereka merancang struktur khusus yang terbuat dari partikel berskala nano yang disusun secara presisi yang secara alami meningkatkan efek yang diinginkan melalui resonansi.

“Hal ini memberi kita tingkat kebebasan baru namun juga menimbulkan banyak tantangan,” kata Profesor Carsten Rockstuhl dari Institut Fisika Solid-State Teoritis dan Institut Nanoteknologi KIT.

Untuk memahami bagaimana resonansi membantu, pikirkan tentang mendorong ayunan. Dorongan kecil pada saat yang tepat (frekuensi resonansi) dapat menimbulkan osilasi yang besar. Demikian pula, metasurface ini dirancang untuk merespons dengan kuat terhadap perubahan kecil pada propertinya ketika perubahan tersebut terjadi pada frekuensi tertentu. Tim menunjukkan melalui perhitungan dan simulasi bahwa pendekatan resonansi ini dapat mencapai efek yang sama seperti kristal waktu fotonik tradisional tetapi dengan perubahan sifat material hanya 1%, bukan 100%.

“Kita berbicara tentang resonansi yang mengintensifkan interaksi antara cahaya dan materi,” jelas Xuchen Wang, penulis utama lainnya. Dalam desain yang dioptimalkan menggunakan nanosfer silikon, tim menunjukkan pendekatan mereka bisa 350 kali lebih efektif dibandingkan metode sebelumnya.

Pendekatan tim berpusat pada pembuatan metasurface yang terbuat dari nanosfer silikon yang disusun dalam pola yang tepat. Jika dirancang dengan benar, struktur ini dapat mendukung apa yang disebut “resonansi Mie” – resonansi elektromagnetik alami yang terjadi ketika cahaya berinteraksi dengan partikel berukuran tertentu. Dengan memodulasi struktur resonansi ini pada frekuensi yang dipilih dengan cermat, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat mencapai amplifikasi gelombang cahaya yang dramatis.

Terobosan ini sangat menjanjikan karena ia bekerja dengan silikon – bahan yang sudah banyak digunakan dalam teknologi optik dan memiliki kerugian yang sangat rendah dalam jangkauan inframerah. Para peneliti menunjukkan bahwa pendekatan mereka dapat bekerja secara efektif bahkan dengan sifat dan kerugian material yang realistis, sehingga menunjukkan bahwa pendekatan tersebut dapat diterapkan dengan kemampuan manufaktur saat ini.

Potensi penerapan teknologi ini cukup besar, meskipun masih bersifat teoritis. Dalam komputasi optik, struktur ini dapat membantu memproses informasi menggunakan cahaya, bukan listrik, sehingga berpotensi menghasilkan komputer yang lebih cepat dan efisien. Di bidang telekomunikasi, mereka mungkin mengaktifkan amplifier optik jenis baru. Mungkin yang paling menarik, mereka dapat berkontribusi pada pengembangan “lensa sempurna” – perangkat yang dapat menangkap detail lebih kecil dari panjang gelombang cahaya itu sendiri.

“Idenya tidak terbatas pada optik dan fotonik,” kata Rockstuhl. “Ini dapat diterapkan pada berbagai sistem fisik dan berpotensi menginspirasi penelitian baru di bidang lain.”

Salah satu aspek paling luar biasa dari desain tim ini adalah kemampuannya bekerja dengan cahaya yang datang dari segala arah. Pendekatan sebelumnya lebih terbatas pada jenis gelombang cahaya yang dapat diperkuat. Para peneliti menunjukkan bahwa struktur resonansinya dapat menciptakan celah pita yang mencakup hampir seluruh kemungkinan arah propagasi, menjadikannya jauh lebih fleksibel dibandingkan desain sebelumnya.

Meskipun penelitian ini masih bersifat teoretis, analisis cermat tim menunjukkan bahwa pendekatan mereka dapat berhasil dalam kondisi realistis. Mereka mempertimbangkan keterbatasan praktis seperti kerugian material dan menunjukkan bahwa desain mereka dapat mempertahankan amplifikasi substansial bahkan dengan ketidaksempurnaan yang mungkin terjadi dalam implementasi di dunia nyata.

Seperti halnya kristal waktu yang mereka pelajari, implikasi penelitian ini muncul dengan cara yang menarik. Terobosan yang dilakukan tim ini menunjukkan bahwa terkadang kemajuan paling signifikan tidak datang dari pendekatan brute force – seperti upaya mencapai perubahan besar pada sifat material – namun dari desain cerdas yang bekerja selaras dengan fenomena fisik alam.

Penelitian tersebut dipublikasikan di jurnal Fotonik Alamjuga merupakan langkah penting menuju realisasi demonstrasi eksperimental pertama kristal waktu fotonik pada frekuensi optik. Meskipun percobaan sebelumnya mengkonfirmasi efek ini pada frekuensi gelombang mikro, membawanya ke dunia optik masih merupakan tantangan besar. Pendekatan baru ini, yang memanfaatkan struktur resonansi dibandingkan perubahan material yang ekstrem, pada akhirnya dapat menjembatani kesenjangan tersebut.

Ke depan, bidang kristal waktu fotonik tampaknya siap untuk berkembang pesat. Demonstrasi para peneliti bahwa efek ini dapat dicapai dengan perubahan material yang relatif sederhana membuka kemungkinan baru untuk eksperimen fisika dan aplikasi praktis. Pekerjaan mereka memberikan peta jalan untuk menciptakan struktur yang secara mendasar dapat mengubah cara kita memanipulasi cahaya.