Anda mungkin berpikir bahwa setelah berabad-abad mempelajari cahaya, kita sudah mengetahui hampir segalanya tentangnya. Memang benar bahwa kita telah mencapai terobosan demi terobosan dalam penggunaannya, mulai dari pencahayaan hingga komunikasi, dari memeriksa mikro- dan makro- alam semesta hingga pemindaian tubuh kita sendiri. Kita memahami bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik, berkat James Clerk Maxwell, yang persamaannya menetapkan hal itu pada tahun 1865; dan bahwa cahaya juga muncul sebagai paket kuantum energi elektromagnetik yang disebut foton, seperti yang diakui oleh Albert Einstein pada tahun 1905. Tetapi semakin kita mempelajari cahaya, semakin banyak yang kita lihat dan semakin banyak yang kita pelajari. Pandangan klasik tentang cahaya sebagai gelombang masih menghasilkan ilmu pengetahuan baru saat gelombang cahaya berinteraksi dengan "metamaterial buatan"; dan kita masih menjelajahi cahaya sebagai partikel kuantum. Kedua pendekatan ini memberikan cara-cara untuk memanipulasi cahaya yang sebelumnya hanya ada dalam fiksi ilmiah. Berikut adalah lima keajaiban terbaru.
1. Membengkokkan Cahaya untuk Menciptakan Invisibilitas
Cincin dan jubah ajaib yang muncul dalam cerita fantasi mencerminkan keinginan manusia kuno untuk menyembunyikan benda dan orang dari pandangan. Invisibilitas juga muncul dalam fiksi ilmiah, seperti di Star Trek, di mana pesawat luar angkasa Romulan yang bermusuhan menyembunyikan diri dengan perangkat penyamaran. Ini menggunakan ide dari relativitas, bahwa ruangwaktu yang sangat terdistorsi mampu membuat cahaya melengkung di sekitar pesawat luar angkasa seolah-olah tidak ada.
Fisikawan belum tahu bagaimana cara melakukannya, tetapi optik klasik tentang gelombang cahaya dan sinar cahaya menunjukkan solusi lain. Kita melihat objek ketika ia berinteraksi dengan cahaya yang masuk. Pada prinsipnya, mantel invisible dapat menghalangi sinar masuk itu dan membengkokkan atau mematahkan sinar tersebut ke dalam mantel tersebut sehingga cahaya berjalan di dalam mantel dan muncul sepanjang jalur asli mereka. Pengamat yang melihat apa yang tampak seperti cahaya yang tidak terganggu akan menganggap tidak ada yang ada di sana, sama seperti air yang mengalir dengan lancar membelah di sekitar batu dan kemudian kembali bergabung tanpa menunjukkan adanya batu tersebut. Tetapi untuk membuat cahaya mengikuti jalur yang kompleks ini, mantel tersebut harus terbuat dari metamaterial.
Peneliti pertama kali menguji ide ini pada tahun 2006 dengan mantel metamaterial yang kaku, sebuah tabung hampa udara yang dindingnya berisi ribuan struktur kecil yang membuat gelombang mikro berjalan di jalur yang sesuai di dalam dinding. Setelah ditempatkan di sekitar objek logam yang tidak tembus pandang, mantel tersebut hampir sepenuhnya membuat objek tersebut menghilang di bawah radiasi mikro. Sejak itu, peneliti telah membuat benda-benda kecil, ikan, kucing, dan tangan yang harusnya terlihat di bawah cahaya tampak, menjadi hanya terlihat dari sudut pandang sempit saja. Penelitian lain juga telah mengembangkan mantel yang fleksibel yang meliliti objek kecil untuk membuatnya menghilang, tetapi hanya pada satu panjang gelombang. Ilmu pengetahuan belum dapat membuat mantel yang sepenuhnya menyembunyikan seseorang dalam cahaya tampak; tetapi penelitian invisibilitas sedang berkembang pesat untuk mendekati mantel ajaib ala Harry Potter.
2. Cahaya Mampu Mendorong dan Menarik Benda
Seperti batu yang dilemparkan, foton membawa momentum yang mereka transfer ke suatu objek saat bertabrakan. Tekanan radiasi inilah yang membuat sinar matahari mendorong ekor komet menjauh dari matahari, dan mengapa sinar matahari dapat mendorong pesawat luar angkasa. Pada tahun 2010, Badan Eksplorasi Antariksa Jepang (Japan Aerospace Exploration Agency-JAXA) meluncurkan IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun), sebagai penghormatan kepada Icarus yang terbang dekat matahari dalam mitologi. Layarnya yang tipis tapi seukuran lapangan tenis mengumpulkan foton-foton matahari, yang secara kolektif memberikan gaya kecil yang secara bertahap mempercepat IKAROS. Enam bulan kemudian, dengan jarak tempuh mencapai 300 juta mil atau sekitar 483 juta kilometer, IKAROS tiba di tujuan dekat Venus tanpa menggunakan bahan bakar untuk dorongan. Sekarang, JAXA dan badan antariksa lainnya sedang mempertimbangkan misi yang lebih panjang menggunakan layar surya yang lebih besar dan lebih efektif.
Dengan sangat mencengangkan, sebuah sumber cahaya juga dapat menarik suatu objek menuju dirinya sendiri, berlawanan dengan arah perambatan cahaya. Fisikawan telah menunjukkan bahwa dalam sebuah balok laser yang memiliki bentuk khusus, tekanan maju foton pada sebuah partikel didominasi oleh gaya mundur yang disebabkan oleh respons elektromagnetik partikel itu sendiri. Efek ini cukup kuat untuk menarik objek mikroskopis seperti sel biologis ke belakang menuju laser. Namun, pada tahun 2023, sebuah eksperimen terkait menunjukkan bahwa laser dengan daya rendah dapat menarik objek makroskopis yang relatif besar, seukuran 0,2 inci x 0,1 inci. Ini bukanlah alat "tractor beam" fiksi ilmiah yang kuat yang dapat menarik seluruh pesawat luar angkasa, tetapi dapat memberikan cara baru untuk mengambil sampel atmosfer secara remote di Bumi dan planet lain, serta fenomena seperti ekor komet.
3. "Citra Hantu" - Gambar dalam Kegelapan
Bayangkan Anda ingin melihat gambaran tentang sesuatu sel hidup yang dapat berubah atau rusak oleh energi cahaya yang meneranginya. Citra hantu menggunakan fenomena perhambatan foton untuk menghasilkan gambar yang sangat jelas dari objek yang hanya bisa terlihat dengan pencahayaan yang sedikit. Pasangan foton yang terbelit, yang terbentuk dari proses-proses optik tertentu, saling terkait secara kuantum sehingga jika salah satu foton mengalami perubahan dalam sifatnya, sifat foton lainnya akan segera berubah secara terkait, meskipun kedua foton berada pada jarak yang sangat jauh satu sama lain.
Dalam citra hantu, salah satu dari setiap pasangan foton yang terbelit berinteraksi dengan objek dan bertemu dengan detektor yang hanya mencatat kedatangannya. Sinar kedua dari pasangan terbelit yang sesuai tidak pernah menyentuh objek tetapi langsung menuju detektor multi-pixel yang sensitif. Analisis komputer tentang korelasi antara kedua hasil detektor tersebut menciptakan gambar berkualitas tinggi dari objek tersebut, bahkan dengan pencahayaan yang lemah. Pendekatan ini memiliki berbagai aplikasi, seperti mengubah gambar yang secara tersembunyi diambil oleh cahaya inframerah tak terlihat menjadi gambar yang terdeteksi oleh kamera resolusi tinggi; atau mendapatkan gambar sinar-X berkualitas baik dari pasien yang terkena dosis sinar-X rendah dan relatif aman.
4. Quantum Slits (Celah Ganda Kuantum) dalam Waktu
Dalam eksperimen celah ganda terkenal, yang pertama kali dilakukan pada tahun 1801, sebuah sinar cahaya terbelah saat melewati dua celah sempit dalam penghalang yang tak tembus pandang. Di sisi yang jauh, sinar-sinar tersebut menyebar dan tumpang tindih untuk membentuk pola area terang dan gelap di layar, menunjukkan bahwa cahaya terdiri dari gelombang yang dapat saling interferensi. Namun, versi modern dari eksperimen ini, di mana hanya satu foton yang diarahkan pada celah, masih menghasilkan pola interferensi yang menyerupai gelombang. Menurut Richard Feynman, contoh interferensi gelombang-partikel yang mencengangkan dan belum terjelaskan ini "memiliki esensi mekanika kuantum ... ini mengandung suatu misteri."
Sekarang, para fisikawan telah mencoba eksperimen ini dengan celah dalam waktu daripada dalam ruang. Mereka menggunakan lapisan tipis indium timbal oksida (ITO), yang transparan terhadap cahaya inframerah tetapi dengan cepat menjadi reflektif dalam waktu 10-15 detik saat diaktifkan oleh laser. Dalam eksperimen ini, para peneliti menembakkan cahaya inframerah ke ITO. Ketika ITO berubah menjadi cermin untuk waktu yang singkat, cahaya inframerah yang dipantulkannya tetap dalam bentuk aslinya. Namun, ketika cermin ITO dinyalakan dan dimatikan dengan cepat dua kali berturut-turut, cahaya inframerah yang dipantulkannya menunjukkan dengan pasti bahwa cahaya tersebut saling interferensi dengan dirinya sendiri karena melewati bukan satu, tetapi dua portal waktu atau celah.
Salah satu pengamat telah menyebutkan bahwa penelitian ini dapat menjadi klasik seperti eksperimen celah ganda asli. Dengan memperluasnya ke dalam waktu daripada ruang, penelitian ini menawarkan cara baru untuk menjelajahi "suatu misteri" tersebut. Penelitian ini juga menunjukkan kemungkinan penggunaan metamaterial seperti ITO untuk mengontrol cahaya dalam sistem optik dan komputer kuantum dengan kecepatan ultracepat.
5. Mendahului Cahaya dengan Sepeda
Jika ada satu fakta fisika yang diketahui orang banyak, itu adalah bahwa cahaya adalah sesuatu yang paling cepat di alam semesta, dengan kecepatan 186.000 mil/detik di ruang hampa. Kecepatan ini sedikit berkurang ketika cahaya berinteraksi dengan materi biasa, misalnya menjadi 124.000 mil/detik di serat optik dan kaca biasa. Ini masih cukup cepat untuk mengelilingi Bumi dalam sebagian detik; oleh karena itu, pada tahun 1999 berita besar ketika peneliti Harvard, Lene Hau, berhasil memperlambat cahaya menjadi kecepatan manusia sekitar 38 mph, yang bisa disamai oleh seorang pesepeda yang fit. Hal ini dicapai dalam medium eksotis, yaitu gas padat atom natrium yang didinginkan hampir mendekati nol mutlak. Hasilnya adalah medium kuantum yang disebut kondensat Bose-Einstein. Cahaya berinteraksi dengan medium ini lebih kuat daripada dengan medium biasa manapun, sehingga kecepatannya sangat melambat. Kemudian, Hau melampaui pencapaian ini dengan menghentikan cahaya secara total, lalu kemudian mengembalikannya dan mengirimkannya kembali.
Hasil-hasil ini merupakan terobosan dalam fisika dasar dan juga dapat bermanfaat, kecuali untuk kebutuhan bekerja pada suhu mendekati nol mutlak. Namun, sejak penelitian asli itu dilakukan, peneliti lain telah berhasil memperlambat cahaya dalam gas dan padatan pada suhu kamar, sehingga memungkinkan penggunaan cahaya yang diperlambat dan berhenti dalam perangkat praktis. Saat ini, pengembangan sedang dilakukan, misalnya untuk mensinkronisasi sinyal dalam jaringan serat optik dan menyimpan data digital di komputer. Kedua aplikasi ini merupakan langkah penting dalam pengembangan jaringan telekomunikasi canggih dan komputer kuantum yang berbasis sepenuhnya pada cahaya, bukan pada sirkuit elektronik konvensional.
Posting Komentar untuk " 5 Penemuan Menakjubkan Tentang Cahaya yang Perlu Diketahui "