Dalam pengumuman penting pada malam 3 Oktober 2023, Hadiah Nobel Fisika untuk tahun 2023 diumumkan, yang mengakui kontribusi luar biasa dari tiga ilmuwan yang telah memainkan peran penting sebagai pelopor di bidang teknologi laser attodetik.

Istilah "laser attodetik" berasal dari skala waktu yang sangat singkat, tepatnya dalam orde attodetik, yang setara dengan 10^-18 detik. Untuk memahami makna mendalam dari teknologi ini, pemahaman mendasar tentang arti attodetik sangatlah penting. Attodetik merupakan satuan waktu yang sangat kecil, yang merupakan sepersejuta dari sepersejuta detik dalam konteks satu detik yang lebih luas. Sebagai perbandingan, jika kita mengibaratkan satu detik dengan gunung yang menjulang tinggi, satu attodetik akan serupa dengan sebutir pasir yang bersarang di kaki gunung. Dalam interval waktu yang singkat ini, bahkan cahaya pun hampir tidak dapat menempuh jarak yang setara dengan ukuran satu atom. Melalui pemanfaatan laser attodetik, para ilmuwan memperoleh kemampuan yang belum pernah ada sebelumnya untuk meneliti dan memanipulasi dinamika elektron yang rumit dalam struktur atom, layaknya pemutaran ulang gerak lambat bingkai demi bingkai dalam rangkaian sinematik, sehingga dapat menyelami interaksi mereka.

Laser attodetikIni merupakan puncak dari penelitian ekstensif dan upaya terpadu para ilmuwan, yang telah memanfaatkan prinsip-prinsip optik nonlinier untuk menciptakan laser ultracepat. Kehadiran mereka telah memberi kita sudut pandang inovatif untuk mengamati dan mengeksplorasi proses dinamis yang terjadi di dalam atom, molekul, dan bahkan elektron dalam material padat.

Untuk menjelaskan sifat laser attodetik dan mengapresiasi atribut-atribut non-konvensionalnya dibandingkan dengan laser konvensional, penting untuk mengeksplorasi kategorisasinya dalam "keluarga laser" yang lebih luas. Klasifikasi berdasarkan panjang gelombang menempatkan laser attodetik terutama dalam rentang frekuensi ultraviolet hingga sinar-X lunak, yang menandakan panjang gelombangnya yang jauh lebih pendek dibandingkan dengan laser konvensional. Dalam hal mode keluaran, laser attodetik termasuk dalam kategori laser berdenyut, yang dicirikan oleh durasi denyutnya yang sangat singkat. Untuk memperjelas analogi, kita dapat membayangkan laser gelombang kontinu seperti senter yang memancarkan sinar cahaya kontinu, sementara laser berdenyut menyerupai lampu sorot, yang dengan cepat berganti antara periode terang dan gelap. Intinya, laser attodetik menunjukkan perilaku berdenyut dalam periode terang dan gelap, namun transisinya antara kedua keadaan tersebut terjadi pada frekuensi yang mencengangkan, mencapai ranah attodetik.

Pengkategorian lebih lanjut berdasarkan daya menempatkan laser ke dalam kategori daya rendah, daya sedang, dan daya tinggi. Laser attodetik mencapai daya puncak yang tinggi karena durasi pulsa yang sangat singkat, menghasilkan daya puncak (P) yang jelas – didefinisikan sebagai intensitas energi per satuan waktu (P=W/t). Meskipun masing-masing pulsa laser attodetik mungkin tidak memiliki energi (W) yang sangat besar, jangkauan temporalnya yang singkat (t) memberikan daya puncak yang lebih tinggi.

Dalam hal domain aplikasi, laser mencakup spektrum yang mencakup aplikasi industri, medis, dan ilmiah. Laser attodetik terutama menemukan tempatnya dalam ranah penelitian ilmiah, khususnya dalam eksplorasi fenomena yang berkembang pesat dalam domain fisika dan kimia, menawarkan jendela ke dalam proses dinamis dunia mikrokosmik yang cepat.

Kategorisasi berdasarkan medium laser membedakan laser menjadi laser gas, laser solid-state, laser cair, dan laser semikonduktor. Pembangkitan laser attodetik biasanya bergantung pada medium laser gas, memanfaatkan efek optik nonlinier untuk menghasilkan harmonik orde tinggi.

Singkatnya, laser attodetik merupakan kelas unik laser pulsa pendek, yang dibedakan oleh durasi pulsanya yang luar biasa singkat, biasanya diukur dalam attodetik. Oleh karena itu, laser ini telah menjadi alat yang sangat penting untuk mengamati dan mengendalikan proses dinamis elektron yang sangat cepat dalam atom, molekul, dan material padat.

Proses Rumit Pembangkitan Laser Attosecond

Teknologi laser attodetik berada di garis depan inovasi ilmiah, dengan serangkaian kondisi yang sangat ketat untuk pembangkitannya. Untuk menjelaskan seluk-beluk pembangkitan laser attodetik, kami memulai dengan pemaparan singkat tentang prinsip-prinsip dasarnya, diikuti dengan metafora-metafora gamblang yang berasal dari pengalaman sehari-hari. Pembaca yang belum memahami seluk-beluk fisika terkait tidak perlu putus asa, karena metafora-metafora berikut bertujuan untuk membuat fisika dasar laser attodetik lebih mudah dipahami.

Proses pembangkitan laser attodetik terutama bergantung pada teknik yang dikenal sebagai Pembangkitan Harmonik Tinggi (HHG). Pertama, seberkas pulsa laser femtodetik berintensitas tinggi (10^-15 detik) difokuskan secara ketat pada material target gas. Perlu dicatat bahwa laser femtodetik, mirip dengan laser attodetik, memiliki karakteristik durasi pulsa yang pendek dan daya puncak yang tinggi. Di bawah pengaruh medan laser yang kuat, elektron dalam atom gas terbebas sesaat dari inti atomnya, memasuki keadaan elektron bebas untuk sementara. Saat elektron-elektron ini berosilasi sebagai respons terhadap medan laser, mereka akhirnya kembali dan bergabung kembali dengan inti atom induknya, menciptakan keadaan energi tinggi baru.

Selama proses ini, elektron bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, dan setelah rekombinasi dengan inti atom, mereka melepaskan energi tambahan dalam bentuk emisi harmonik tinggi, yang terwujud sebagai foton berenergi tinggi.

Frekuensi foton berenergi tinggi yang baru dihasilkan ini merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi laser asli, membentuk apa yang disebut harmonik orde tinggi, di mana "harmonik" menunjukkan frekuensi yang merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi asli. Untuk mencapai laser attodetik, perlu dilakukan penyaringan dan pemfokusan harmonik orde tinggi ini, dengan memilih harmonik tertentu dan memusatkannya ke suatu titik fokus. Jika diinginkan, teknik kompresi pulsa dapat mempersingkat durasi pulsa lebih lanjut, menghasilkan pulsa ultra-pendek dalam rentang attodetik. Jelas, pembangkitan laser attodetik merupakan proses yang canggih dan multifaset, yang membutuhkan tingkat kemahiran teknis dan peralatan khusus yang tinggi.

Untuk menghilangkan misteri dari proses rumit ini, kami menawarkan sebuah metafora paralel yang didasarkan pada skenario sehari-hari:

Pulsa Laser Femtodetik Intensitas Tinggi:

Bayangkan memiliki ketapel yang sangat kuat yang mampu melemparkan batu secara instan pada kecepatan yang sangat besar, mirip dengan peran yang dimainkan oleh pulsa laser femtodetik berintensitas tinggi.

Bahan Target Gas:

Bayangkan sebuah perairan tenang yang melambangkan material target gas, di mana setiap tetesan air mewakili segudang atom gas. Tindakan mendorong batu ke perairan ini secara analog mencerminkan dampak pulsa laser femtodetik berintensitas tinggi pada material target gas.

Gerakan Elektron dan Rekombinasi (Secara Fisik Disebut Transisi):

Ketika pulsa laser femtodetik mengenai atom-atom gas di dalam material target gas, sejumlah besar elektron terluar tereksitasi sesaat hingga terlepas dari inti atomnya masing-masing, membentuk keadaan seperti plasma. Seiring berkurangnya energi sistem (karena pulsa laser bersifat berdenyut, dengan interval penghentian), elektron-elektron terluar ini kembali ke sekitar inti atom, melepaskan foton berenergi tinggi.

Pembangkitan Harmonik Tinggi:

Bayangkan setiap kali tetesan air jatuh kembali ke permukaan danau, riak-riak tercipta, mirip harmonik tinggi pada laser attodetik. Riak-riak ini memiliki frekuensi dan amplitudo yang lebih tinggi daripada riak awal yang dihasilkan oleh pulsa laser femtodetik primer. Selama proses HHG, sinar laser yang kuat, mirip dengan lemparan batu yang terus-menerus, menyinari target gas, menyerupai permukaan danau. Medan laser yang kuat ini mendorong elektron dalam gas, mirip dengan riak, menjauh dari atom induknya dan kemudian menariknya kembali. Setiap kali elektron kembali ke atom, ia memancarkan sinar laser baru dengan frekuensi yang lebih tinggi, mirip dengan pola riak yang lebih rumit.

Penyaringan dan Pemfokusan:

Menggabungkan semua sinar laser yang baru dihasilkan ini menghasilkan spektrum berbagai warna (frekuensi atau panjang gelombang), beberapa di antaranya membentuk laser attodetik. Untuk mengisolasi ukuran dan frekuensi riak tertentu, Anda dapat menggunakan filter khusus, seperti memilih riak yang diinginkan, dan menggunakan kaca pembesar untuk memfokuskannya ke area tertentu.

Kompresi Pulsa (jika perlu):

Jika Anda ingin menyebarkan riak lebih cepat dan lebih singkat, Anda dapat mempercepat penyebarannya menggunakan perangkat khusus, yang akan mengurangi durasi setiap riak. Pembentukan laser attodetik melibatkan interaksi proses yang kompleks. Namun, ketika dipecah dan divisualisasikan, prosesnya menjadi lebih mudah dipahami.