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

Istilah "laser attosecond" berasal dari skala waktu yang sangat singkat yang digunakannya, khususnya dalam orde attosecond, yang setara dengan 10^-18 detik. Untuk memahami signifikansi mendalam dari teknologi ini, pemahaman mendasar tentang apa yang dimaksud dengan attosecond sangatlah penting. Attosecond merupakan satuan waktu yang sangat kecil, yang merupakan sepersejuta miliar dari sepersejuta miliar detik dalam konteks yang lebih luas yaitu satu detik. Untuk memberikan perspektif, jika kita mengibaratkan satu detik dengan gunung yang menjulang tinggi, attosecond akan seperti sebutir pasir yang terletak di dasar gunung. Dalam interval waktu yang sangat singkat ini, bahkan cahaya pun hampir tidak dapat menempuh jarak yang setara dengan ukuran sebuah atom. Melalui penggunaan laser attosecond, para ilmuwan memperoleh kemampuan yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk meneliti dan memanipulasi dinamika rumit elektron dalam struktur atom, seperti tayangan ulang gerakan lambat bingkai demi bingkai dalam sebuah adegan sinematik, sehingga dapat mempelajari interaksi antar elektron tersebut.

Laser attodetikIni mewakili puncak dari penelitian ekstensif dan upaya bersama para ilmuwan, yang telah memanfaatkan prinsip-prinsip optik nonlinier untuk menciptakan laser ultra cepat. Kemunculan mereka telah memberi kita sudut pandang inovatif untuk pengamatan dan eksplorasi proses dinamis yang terjadi di 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 lunak, 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 pulsa yang sangat singkat. Untuk memberikan analogi yang lebih jelas, kita dapat membayangkan laser gelombang kontinu seperti senter yang memancarkan sinar cahaya kontinu, sedangkan laser berdenyut menyerupai lampu strobo, yang dengan cepat berganti-ganti antara periode penerangan dan kegelapan. Pada intinya, laser attosecond menunjukkan perilaku berdenyut dalam penerangan dan kegelapan, namun transisi antara kedua keadaan tersebut terjadi pada frekuensi yang menakjubkan, mencapai ranah attosecond.

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

Dari segi ranah aplikasi, laser mencakup spektrum yang meliputi aplikasi industri, medis, dan ilmiah. Laser attosecond terutama menemukan ceruknya dalam bidang penelitian ilmiah, khususnya dalam eksplorasi fenomena yang berkembang pesat dalam bidang fisika dan kimia, menawarkan jendela ke dalam proses dinamis yang cepat di dunia mikrokosmik.

Pengkategorian berdasarkan medium laser membagi laser menjadi laser gas, laser padat, laser cair, dan laser semikonduktor. Pembangkitan laser attosecond biasanya bergantung pada medium laser gas, memanfaatkan efek optik nonlinier untuk menghasilkan harmonik orde tinggi.

Kesimpulannya, laser attosecond merupakan kelas laser pulsa pendek yang unik, yang dibedakan oleh durasi pulsa yang sangat singkat, biasanya diukur dalam attosecond. Akibatnya, laser ini telah menjadi alat yang sangat diperlukan untuk mengamati dan mengendalikan proses dinamis ultra cepat elektron di dalam atom, molekul, dan material padat.

Proses Rumit Pembuatan 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, kita mulai dengan uraian singkat tentang prinsip-prinsip dasarnya, diikuti oleh metafora yang jelas yang diambil dari pengalaman sehari-hari. Pembaca yang tidak memahami seluk-beluk fisika yang relevan tidak perlu putus asa, karena metafora-metafora berikut bertujuan untuk membuat fisika dasar laser attosecond mudah dipahami.

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

Selama proses ini, elektron bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, dan setelah bergabung kembali dengan inti atom, mereka melepaskan energi tambahan dalam bentuk emisi harmonik tinggi, yang bermanifestasi 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 mendapatkan laser attosecond, perlu dilakukan penyaringan dan pemfokusan harmonik orde tinggi ini, dengan memilih harmonik tertentu dan memusatkannya ke titik fokus. Jika diinginkan, teknik kompresi pulsa dapat lebih memperpendek durasi pulsa, menghasilkan pulsa ultra-pendek dalam rentang attosecond. Jelas, pembangkitan laser attosecond merupakan proses yang canggih dan multifaset, yang membutuhkan keahlian teknis tingkat tinggi dan peralatan khusus.

Untuk menyederhanakan proses yang rumit ini, kami menawarkan analogi metaforis yang berlandaskan pada skenario sehari-hari:

Pulsa Laser Femtosekon Intensitas Tinggi:

Bayangkan memiliki ketapel yang sangat ampuh yang mampu melontarkan batu secara instan dengan kecepatan luar biasa, mirip dengan peran yang dimainkan oleh pulsa laser femtosekon berintensitas tinggi.

Bahan Target Berbentuk Gas:

Bayangkan sebuah badan air yang tenang yang melambangkan material target berupa gas, di mana setiap tetes air mewakili jutaan atom gas. Tindakan melemparkan batu ke dalam badan air ini secara analogis mencerminkan dampak pulsa laser femtosekon intensitas tinggi pada material target berupa gas.

Gerakan dan Rekombinasi Elektron (Secara Fisik Disebut Transisi):

Ketika pulsa laser femtosekon mengenai atom gas dalam material target gas, sejumlah besar elektron terluar akan tereksitasi sesaat ke keadaan di mana mereka terlepas dari inti atom masing-masing, membentuk keadaan seperti plasma. Saat energi sistem kemudian berkurang (karena pulsa laser pada dasarnya berdenyut, dengan interval penghentian), elektron terluar ini kembali ke sekitar inti atom, melepaskan foton berenergi tinggi.

Pembangkitan Harmonik Tinggi:

Bayangkan setiap kali setetes air jatuh kembali ke permukaan danau, ia menciptakan riak, mirip dengan harmonik tinggi pada laser attosecond. Riak ini memiliki frekuensi dan amplitudo yang lebih tinggi daripada riak asli yang disebabkan oleh pulsa laser femtosecond utama. Selama proses HHG, sinar laser yang kuat, mirip dengan melempar batu terus menerus, menerangi target gas, menyerupai permukaan danau. Medan laser yang intens ini mendorong elektron dalam gas, analog 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:

Dengan menggabungkan semua berkas laser yang baru dihasilkan ini, akan tercipta spektrum berbagai warna (frekuensi atau panjang gelombang), beberapa di antaranya membentuk 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 Denyut Nadi (jika diperlukan):

Jika Anda bertujuan untuk menyebarkan riak lebih cepat dan lebih pendek, Anda dapat mempercepat penyebarannya menggunakan perangkat khusus, mengurangi durasi setiap riak. Pembentukan laser attosecond melibatkan interaksi proses yang kompleks. Namun, ketika diuraikan dan divisualisasikan, hal itu menjadi lebih mudah dipahami.