Para fisikawan membuat orbit ‘doppelganger’ untuk elektron
Setiap jenis atom di alam semesta memiliki sidik jari yang unik: hanya menyerap atau memancarkan cahaya pada energi tertentu yang sesuai dengan orbit elektron yang diizinkan. Dengan sidik jari yang merupakan ciri khas dari atom itu sendiri, memungkinkan para ilmuwan dalam mengidentifikasi atom tertentu di mana pun keberadaanya. Ketika sebuah atom hidrogen berada di luar angkasa, maka ia akan menyerap cahaya dengan energi yang sama sebagaimana keberadaannya di Bumi.
Di sisi lain, para fisikawan telah mempelajari bagaimana medan listrik dan medan magnet dapat memanipulasi sidik jari ini, sejumlah fitur yang membuatnya biasanya tetap konstan. Dalam sebuah karya yang telah diterbitkan di dalam jurnal Nature, para peneliti dari University of Chicago menantang paradigma ini dengan menggetarkan elektron menggunakan laser untuk membuat fitur “doppelganger” pada energi baru — terobosan yang memungkinkan para ilmuwan membuat partikel hibrida yang merupakan sebagian atom dan sebagian lagi adalah cahaya, dengan berbagai macam perilaku baru yang dihasilkan.
Penelitian ini merupakan bagian dari upaya besar dari Prof. Jonathan Simon untuk memecahkan dinding pemisah antara materi dan cahaya, sehinngga dapat menyelidiki sifat-sifat dasarnya. Selain mempelajari tentang bagaimana material berperilaku pada tingkat kuantum, pekerjaan ini suatu hari nanti dapat membantu menciptakan komputer yang lebih kuat atau komunikasi kuantum yang tidak dapat diretas.
Untuk membuat materi keluar dari cahaya adalah membuat paket-paket cahaya individu, yang disebut foton, berinteraksi satu sama lain seperti halnya materi. (Biasanya foton bergerak dengan kecepatan cahaya dan tidak bereaksi sama sekali.)
“Untuk membuat foton saling bertabrakan, kami menggunakan atom sebagai perantara,” kata peneliti postdoctoral Logan Clark, yang memimpin penelitian. “Tapi kami mengalami masalah karena foton hanya berinteraksi dengan atom yang memiliki orbital elektronik pada energi yang sangat khusus. Jadi kami bertanya: Bagaimana jika kami dapat membuat salinan orbital dengan energi apa pun yang kami inginkan?”
Clark telah mengembangkan teknik untuk memanipulasi materi kuantum dengan menggetarkannya — disebut sebagai Floquet engineering. Sejenis getaran yang tepat secara alami menghasilkan salinan status quantum pada berbagai energi di sepanjang percobaan. “Kami selalu melihat salinan sebagai efek samping daripada tujuan,” katanya, “tapi kali ini, kami menggetarkan elektron dengan tujuan tertentu untuk membuat salinan.”
Dengan memvariasikan intensitas medan laser yang disetel dengan tepat terhadap resonansi atom, tim dapat mengubah orbital elektron. Mengguncang orbital dengan memvariasikan intensitas ini secara berkala menghasilkan salinan yang diinginkan.
Tetapi para doppelganger (kembaran) ini hadir dengan maksud penting: “Sementara orbital atom memang muncul pada berbagai energi yang berbeda, penting untuk dicatat bahwa salinan ini sebenarnya terikat dengan boneka seperti aslinya,” peneliti dan rekan penulis studi Nathan Schine menjelaskan. “Ketika salah satu salinan bergeser, yang asli dan semua salinan lainnya turut bergeser bersamanya.”
Dengan memungkinkan foton untuk berinteraksi dengan atom-atom yang terguncang ini, tim telah menciptakan apa yang mereka sebut “Floquet polaritons” – partikel semu yang sebagian-cahaya dan sebagian atom, dan tidak seperti foton biasa, berinteraksi satu sama lain dengan sangat kuat. Interaksi ini sangat penting untuk membuat materi dari cahaya. Membuat polariton dengan atom terguncang dapat memberi polariton jauh lebih fleksibel untuk bergerak dan bertabrakan satu sama lain dengan cara baru.
“Floquet polariton penuh kejutan; kami masih terus memahaminya dengan lebih baik,” kata Clark. “Namun, urutan bisnis kami berikutnya adalah menggunakan foton yang bertabrakan ini untuk membuat ‘cairan’ topologi. Ini adalah waktu yang sangat menyenangkan.”
Memiliki salinan keadaan atom pada berbagai energi juga menawarkan kemungkinan menarik untuk konversi frekuensi optik — alat utama dalam menciptakan metode komunikasi kuantum yang aman.
“Ternyata menggetarkan sesuatu tidak hanya menyenangkan, tetapi dapat menyebabkan sejumlah sains yang benar-benar menarik,” kata Clark.