Cahaya yang Dapat Diorganisasikan Sendiri Dapat Mengubah Komputasi dan Komunikasi
USC para insinyur telah mendemonstrasikan perangkat optik jenis baru yang memungkinkan cahaya mengatur rutenya sendiri menggunakan prinsip termodinamika.
Daripada mengandalkan saklar atau kontrol digital, lampu menemukan jalurnya sendiri melalui sistem. Pendekatan ini dapat mengubah transmisi data, komputasi, dan komunikasi dengan menjadikan teknologi optik lebih alami dan efisien.
Terobosan dalam Termodinamika Optik
Para peneliti di Departemen Teknik Elektro dan Komputer Ming Hsieh telah mencapai kemajuan besar dalam fotonik dengan penciptaan perangkat optik pertama berdasarkan konsep termodinamika optik yang muncul.
Studi mereka, diterbitkan di Fotonik Alammenyajikan metode yang benar-benar baru untuk mengarahkan cahaya dalam sistem nonlinier (sistem yang beroperasi tanpa sakelar, kontrol eksternal, atau masukan digital). Dalam pengaturan ini, cahaya tidak perlu dikemudikan atau disesuaikan—cahaya secara alami merambat melalui perangkat, mengikuti hukum dasar termodinamika.
Dari Katup, Router, hingga Lampu
Perutean adalah prinsip umum di banyak bidang teknik. Dalam sistem mekanis, katup manifold mengontrol saluran keluar mana yang mengalir melalui fluida. Dalam bidang elektronik, router dan switch jaringan mengelola aliran data digital, memastikan informasi dari berbagai input mencapai tujuan yang tepat. Namun mengarahkan cahaya bekerja secara berbeda dan jauh lebih sulit. Router optik tradisional bergantung pada rangkaian sakelar dan sirkuit elektronik yang rumit untuk mengontrol jalur, yang menjadikan prosesnya rumit dan memperlambat kinerja.
Para peneliti fotonik di USC Viterbi School of Engineering telah menemukan pendekatan yang sepenuhnya baru. Mereka menggambarkannya seperti labirin marmer yang tersusun sendiri. Biasanya, Anda harus mengangkat penghalang dan memandu marmer selangkah demi selangkah untuk mencapai lubang yang tepat. Dalam desain tim USC, labirin disusun sedemikian rupa sehingga di mana pun Anda menjatuhkan kelereng, kelereng tersebut secara otomatis menggelinding ke titik akhir yang benar—tidak diperlukan panduan manual. Dengan cara yang sama, cahaya pada perangkat ini menemukan jalur yang benar dengan sendirinya, murni didorong oleh perilaku termodinamika.
Potensi Dampak Industri
Inovasi ini dapat memberikan dampak signifikan di luar penelitian dasar. Ketika sistem komputasi dan data mendekati batas fisik kecepatan dan efisiensi elektronik, banyak perusahaan (termasuk pengembang chip seperti NVIDIA dan lainnya) beralih ke interkoneksi optik sebagai alternatif yang lebih cepat dan hemat energi. Dengan memperkenalkan cara alami dan mengatur diri sendiri untuk mengendalikan cahaya, prinsip-prinsip termodinamika optik dapat membantu memajukan teknologi optik generasi berikutnya. Kerangka kerja ini juga dapat mempengaruhi bidang yang lebih luas seperti telekomunikasi, komputasi berkinerja tinggi, dan transfer data yang aman, sehingga membuka pintu bagi perangkat yang lebih kuat dan tidak terlalu rumit.
Cara Kerja: Kekacauan Dijinakkan dengan Termodinamika
Sistem optik multimode nonlinier sering dianggap kacau dan tidak dapat diprediksi. Interaksi antar mode yang rumit menjadikannya salah satu sistem yang paling sulit untuk disimulasikan—apalagi dirancang untuk penggunaan praktis. Namun, justru karena mereka tidak dibatasi oleh aturan optik linier, mereka menyimpan fenomena fisik yang kaya dan belum dijelajahi.
Menyadari bahwa cahaya dalam sistem ini mengalami proses yang mirip dengan mencapai kesetimbangan termal—mirip dengan bagaimana gas mencapai kesetimbangan melalui tumbukan molekul—para peneliti USC mengembangkan teori komprehensif “termodinamika optik”. Kerangka kerja ini menangkap bagaimana cahaya berperilaku dalam kisi nonlinier menggunakan analogi proses termodinamika yang sudah dikenal seperti ekspansi, kompresi, dan bahkan transisi fase.
Perangkat yang Merutekan Cahaya dengan Sendirinya
Demonstrasi tim diFotonik Alammenandai perangkat pertama yang dirancang dengan teori baru ini. Daripada secara aktif mengarahkan sinyal, sistem ini dirancang sedemikian rupa sehingga cahayanya mengarahkan dirinya sendiri.
Prinsip ini terinspirasi langsung oleh termodinamika. Sama seperti gas yang mengalami apa yang dikenal sebagai ekspansi Joule-Thomson mendistribusikan kembali tekanan dan suhunya sebelum mencapai kesetimbangan termal secara alami, cahaya di perangkat USC mengalami proses dua langkah: pertama analog ekspansi optik, kemudian kesetimbangan termal. Hasilnya adalah aliran foton yang terorganisir sendiri ke dalam saluran keluaran yang ditentukan—tanpa memerlukan saklar eksternal.
Membuka Perbatasan Baru
Dengan secara efektif mengubah kekacauan menjadi prediktabilitas, termodinamika optik membuka pintu bagi penciptaan perangkat fotonik kelas baru yang memanfaatkan, bukan melawan, kompleksitas sistem nonlinier. “Selain routing, kerangka kerja ini juga dapat memungkinkan pendekatan baru terhadap manajemen cahaya, dengan implikasi pada pemrosesan informasi, komunikasi, dan eksplorasi fisika dasar,” kata penulis utama studi tersebut, Hediyeh M. Dinani, seorang mahasiswa PhD di lab Optics and Photonics Group di USC Viterbi.
Steven dan Kathryn Sample Chair in Engineering, dan Professor of Electrical and Computer Engineering di USC Viterbi Demetrios Christodoulides menambahkan, “Apa yang tadinya dipandang sebagai tantangan berat di bidang optik telah diubah menjadi proses fisik alami—sebuah proses yang dapat mendefinisikan kembali cara para insinyur mendekati pengendalian cahaya dan sinyal elektromagnetik lainnya.”
Referensi: “Perutean cahaya universal melalui termodinamika optik” oleh Hediyeh M. Dinani, Georgios G. Pyrialakos, Abraham M. Berman Bradley, Monika Monika, Huizhong Ren, Mahmoud A. Selim, Ulf Peschel, Demetrios N. Christodoulides dan Mercedeh Khajavikhan, 25 September 2025, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-025-01756-4
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin SciTechDaily.
Ikuti kami di Google, Discover, dan Berita.
