Keajaiban Mikroskopis: Perangkat Fotonik yang Dapat Mengubah Fisika dan Laser Selamanya

Peneliti Institut Politeknik Rensselaer telah mengembangkan perangkat simulator kuantum topologi pertama dalam rezim interaksi materi cahaya yang kuat yang beroperasi pada suhu kamar, merevolusi studi kuantum dan efisiensi laser, dan membuat penelitian lanjutan lebih mudah diakses.

Para peneliti di Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) telah membuat perangkat yang tidak lebih lebar dari rambut manusia yang akan membantu fisikawan menyelidiki sifat dasar materi dan cahaya. Temuan mereka, dipublikasikan di jurnal Nanoteknologi Alamjuga dapat mendukung pengembangan laser yang lebih efisien, yang digunakan di berbagai bidang mulai dari kedokteran hingga manufaktur.

Perangkat ini terbuat dari bahan khusus yang disebut isolator topologi fotonik. Insulator topologi fotonik dapat memandu foton, partikel mirip gelombang yang membentuk cahaya, ke antarmuka yang dirancang khusus di dalam materials sekaligus mencegah partikel-partikel ini berhamburan melalui materials itu sendiri.

Simulasi Kuantum dan Pengembangan Laser

Karena sifat ini, isolator topologi dapat membuat banyak foton bertindak secara koheren seperti satu kesatuan foton. Perangkat ini juga dapat digunakan sebagai “simulator kuantum” topologi, yaitu laboratorium mini tempat para peneliti dapat mempelajari fenomena kuantum, hukum fisika yang mengatur materi pada skala yang sangat kecil.

“Isolator topologi fotonik yang kami buat unik. Ia bekerja pada suhu kamar. Ini merupakan kemajuan besar. Sebelumnya, seseorang hanya dapat menyelidiki rezim ini dengan menggunakan peralatan besar dan mahal yang mampu mendinginkan materi dalam ruang hampa. Banyak laboratorium penelitian tidak memiliki akses terhadap peralatan semacam ini, sehingga perangkat kami dapat memungkinkan lebih banyak orang untuk melakukan penelitian fisika dasar semacam ini di laboratorium,” kata Wei Bao, asisten profesor di Departemen Ilmu dan Teknik Materials di RPI dan penulis senior dari Alam Nanoteknologi belajar.

“Ini juga merupakan langkah maju yang menjanjikan dalam pengembangan laser yang memerlukan lebih sedikit energi untuk beroperasi, karena ambang batas perangkat bersuhu ruangan kami – jumlah energi yang dibutuhkan untuk membuatnya bekerja – tujuh kali lebih rendah dibandingkan perangkat bersuhu rendah yang dikembangkan sebelumnya. Bao menambahkan.

Teknik Fabrikasi dan Pengamatan

Para peneliti RPI menciptakan perangkat baru mereka dengan teknologi yang sama dengan yang digunakan dalam industri semikonduktor untuk membuat microchip, yang melibatkan pelapisan berbagai jenis bahan, atom demi atom, molekul demi molekul, untuk menciptakan struktur yang diinginkan dengan sifat tertentu.

Untuk membuat perangkat mereka, para peneliti menumbuhkan pelat halida perovskit extremely tipis, kristal yang terbuat dari cesium, timbal, dan klorin, dan menggoreskan polimer di atasnya dengan sebuah pola. Mereka mengapit pelat kristal dan polimer ini di antara lembaran berbagai bahan oksida, akhirnya membentuk sebuah benda dengan tebal sekitar 2 mikron dan panjang serta lebar 100 mikron (rata-rata lebar rambut manusia adalah 100 mikron).

Ketika para peneliti menyorotkan sinar laser ke perangkat tersebut, pola segitiga bercahaya muncul di antarmuka yang dirancang pada materials tersebut. Pola ini, yang ditentukan oleh desain perangkat, adalah hasil karakteristik topologi laser.

Kesimpulan dan Prospek Masa Depan

“Mampu mempelajari fenomena kuantum pada suhu kamar merupakan prospek yang menarik. Karya inovatif Profesor Bao menunjukkan bagaimana teknik materials dapat membantu kita menjawab beberapa pertanyaan terbesar sains,” kata Shekhar Garde, dekan Fakultas Teknik RPI.

Referensi: “Kondensasi polariton Balai lembah topologi” oleh Kai Peng, Wei Li, Meng Solar, Jose DH Rivero, Chaoyang Ti, Xu Han, Li Ge, Lan Yang, Xiang Zhang dan Wei Bao, 24 Mei 2024, Nanoteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41565-024-01674-6

Penelitian ini terutama didukung oleh hibah dari Nationwide Science Basis dan Workplace of Naval Analysis.