Dalam pengumuman penting pada malam tanggal 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 dalam bidang teknologi laser attodetik.

Istilah "laser attosecond" berasal dari skala waktu yang sangat singkat yang dioperasikannya, khususnya dalam orde attosecond, yang setara dengan 10^-18 detik. Untuk memahami makna mendalam dari teknologi ini, pemahaman mendasar tentang apa yang dimaksud dengan attosecond sangatlah penting. Attosecond merupakan satuan waktu yang sangat kecil, yang merupakan sepersejuta dari sepersejuta detik dalam konteks yang lebih luas dari satu detik. Untuk memperjelas hal ini, jika kita menyamakan satu detik dengan gunung yang menjulang tinggi, satu attosecond akan serupa dengan sebutir pasir yang bersarang di dasar gunung. Dalam interval waktu yang singkat ini, bahkan cahaya hampir tidak dapat melintasi jarak yang setara dengan ukuran satu atom. Melalui pemanfaatan laser attosecond, para ilmuwan memperoleh kemampuan yang belum pernah ada sebelumnya untuk meneliti dan memanipulasi dinamika elektron yang rumit dalam struktur atom, yang serupa dengan pemutaran ulang gerakan lambat bingkai demi bingkai dalam urutan sinematik, sehingga dapat menyelami interaksi mereka.

Laser attodetikmerupakan puncak dari penelitian ekstensif dan upaya bersama oleh para ilmuwan, yang telah memanfaatkan prinsip-prinsip optik nonlinier untuk membuat laser yang sangat cepat. Kehadiran mereka telah memberi kita sudut pandang yang inovatif untuk mengamati dan mengeksplorasi proses dinamis yang terjadi dalam atom, molekul, dan bahkan elektron dalam material padat.

Untuk menjelaskan sifat laser attosecond dan menghargai atributnya yang tidak konvensional dibandingkan dengan laser konvensional, sangat penting untuk mengeksplorasi kategorisasinya dalam "keluarga laser" yang lebih luas. Klasifikasi berdasarkan panjang gelombang menempatkan laser attosecond terutama dalam rentang frekuensi ultraviolet hingga sinar-X lembut, yang menandakan panjang gelombangnya yang jauh lebih pendek dibandingkan dengan laser konvensional. Dalam hal mode keluaran, laser attosecond termasuk dalam kategori laser berdenyut, yang dicirikan oleh durasi denyutnya yang sangat singkat. Untuk menggambarkan analogi yang lebih jelas, seseorang dapat membayangkan laser gelombang kontinu seperti senter yang memancarkan sinar cahaya terus-menerus, sementara laser berdenyut menyerupai lampu sorot, yang berganti dengan cepat antara periode penerangan dan kegelapan. Intinya, laser attosecond menunjukkan perilaku berdenyut dalam penerangan dan kegelapan, namun transisinya antara kedua keadaan tersebut terjadi pada frekuensi yang mencengangkan, mencapai ranah attosecond.

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

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

Penggolongan berdasarkan media laser membedakan laser menjadi laser gas, laser solid-state, laser cair, dan laser semikonduktor. Pembuatan laser attosecond biasanya bergantung pada media laser gas, memanfaatkan efek optik nonlinier untuk menghasilkan harmonik orde tinggi.

Singkatnya, laser attodetik merupakan kelas unik laser pulsa pendek, yang dibedakan berdasarkan durasi pulsa yang sangat singkat, yang biasanya diukur dalam attodetik. Hasilnya, laser ini telah menjadi alat yang sangat diperlukan untuk mengamati dan mengendalikan proses dinamis elektron yang sangat cepat dalam atom, molekul, dan material padat.

Proses Rumit Pembangkitan Laser Attosecond

Teknologi laser attosecond berada di garis depan inovasi ilmiah, dengan serangkaian kondisi yang sangat ketat untuk pembangkitannya. Untuk menjelaskan seluk-beluk pembangkitan laser attosecond, kami mulai dengan pemaparan singkat tentang prinsip-prinsip yang mendasarinya, diikuti oleh metafora yang jelas yang berasal dari pengalaman sehari-hari. Pembaca yang tidak berpengalaman dalam seluk-beluk fisika yang relevan tidak perlu putus asa, karena metafora yang dihasilkan bertujuan untuk membuat fisika dasar laser attosecond dapat diakses.

Proses pembangkitan laser attosecond terutama bergantung pada teknik yang dikenal sebagai Pembangkitan Harmonik Tinggi (HHG). Pertama, seberkas pulsa laser femtosecond (10^-15 detik) berintensitas tinggi difokuskan secara ketat ke material target gas. Perlu dicatat bahwa laser femtosecond, mirip dengan laser attosecond, memiliki karakteristik yang sama, yakni memiliki durasi pulsa pendek dan daya puncak tinggi. Di bawah pengaruh medan laser yang kuat, elektron dalam atom gas terbebas sesaat dari inti atomnya, dan memasuki keadaan elektron bebas untuk sementara. Saat elektron-elektron ini berosilasi sebagai respons terhadap medan laser, elektron-elektron tersebut akhirnya kembali dan bergabung kembali dengan inti atom induknya, sehingga menciptakan keadaan energi tinggi yang 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, yang membentuk apa yang disebut harmonik orde tinggi, di mana "harmonik" menunjukkan frekuensi yang merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi asli. Untuk memperoleh laser attodetik, perlu untuk menyaring dan memfokuskan harmonik orde tinggi ini, memilih harmonik tertentu dan memusatkannya ke titik fokus. Jika diinginkan, teknik kompresi pulsa dapat lebih mempersingkat durasi pulsa, menghasilkan pulsa yang sangat pendek dalam rentang attodetik. Jelas, pembangkitan laser attodetik merupakan proses yang canggih dan multifaset, yang menuntut tingkat kecakapan teknis yang tinggi dan peralatan khusus.

Untuk menghilangkan misteri dari proses yang 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 tinggi, mirip dengan peran yang dimainkan oleh pulsa laser femtodetik berintensitas tinggi.

Bahan Target Gas:

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

Gerakan Elektron dan Rekombinasi (Transisi yang Disebut Secara Fisik):

Ketika pulsa laser femtodetik mengenai atom gas dalam material target gas, sejumlah besar elektron terluar tereksitasi sesaat ke keadaan di mana mereka terlepas dari inti atom masing-masing, membentuk keadaan seperti plasma. Ketika energi sistem kemudian berkurang (karena pulsa laser pada dasarnya berdenyut, yang menampilkan interval penghentian), 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, tetesan itu menciptakan riak-riak, mirip seperti harmonik tinggi pada laser attodetik. Riak-riak ini memiliki frekuensi dan amplitudo yang lebih tinggi daripada riak-riak asli yang disebabkan oleh pulsa laser femtodetik primer. Selama proses HHG, sinar laser yang kuat, mirip dengan batu yang terus-menerus dilempar, menerangi target gas, menyerupai permukaan danau. Medan laser yang kuat ini mendorong elektron dalam gas, mirip dengan riak-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 merupakan laser attosecond. Untuk mengisolasi ukuran dan frekuensi riak tertentu, Anda dapat menggunakan filter khusus, mirip dengan memilih riak yang diinginkan, dan menggunakan kaca pembesar untuk memfokuskannya ke area tertentu.

Kompresi Pulsa (jika diperlukan):

Jika Anda ingin menyebarkan riak lebih cepat dan lebih pendek, Anda dapat mempercepat penyebarannya menggunakan perangkat khusus, yang akan mengurangi waktu berlangsungnya setiap riak. Pembuatan laser attosecond melibatkan interaksi proses yang kompleks. Namun, ketika dipecah dan divisualisasikan, hal tersebut akan menjadi lebih mudah dipahami.