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

Istilah "laser attodetik" mendapatkan namanya dari skala waktu pengoperasiannya yang sangat singkat, khususnya dalam urutan attodetik, yaitu 10^-18 detik. Untuk memahami pentingnya teknologi ini, pemahaman mendasar tentang makna attodetik sangatlah penting. Attosekon merupakan satuan waktu yang sangat kecil, yang mencakup sepermiliar miliar detik dalam konteks satu detik yang lebih luas. Sebagai gambaran, jika kita mengibaratkan satu detik dengan gunung yang menjulang tinggi, satu attodetik sama dengan sebutir pasir yang terletak di kaki gunung. Dalam interval waktu yang cepat berlalu ini, bahkan cahaya pun hampir tidak dapat melintasi jarak yang setara dengan ukuran sebuah atom. Melalui pemanfaatan laser attosecond, para ilmuwan memperoleh kemampuan yang belum pernah ada sebelumnya untuk mengamati dan memanipulasi dinamika elektron yang rumit dalam struktur atom, mirip dengan pemutaran ulang gerakan lambat frame-by-frame dalam rangkaian sinematik, sehingga menyelidiki interaksinya.

Laser attodetikmewakili puncak penelitian ekstensif dan upaya bersama para ilmuwan, yang telah memanfaatkan prinsip optik nonlinier untuk membuat laser ultracepat. Kemunculannya telah memberi kita sudut pandang inovatif untuk observasi dan eksplorasi proses dinamis yang terjadi di dalam atom, molekul, dan bahkan elektron dalam bahan padat.

Untuk menjelaskan sifat laser attosecond dan menghargai atributnya yang tidak konvensional dibandingkan dengan laser konvensional, penting untuk mengeksplorasi kategorisasinya dalam “keluarga laser” yang lebih luas. Klasifikasi berdasarkan panjang gelombang menempatkan laser attodetik secara dominan dalam rentang frekuensi sinar ultraviolet hingga sinar X lembut, yang menandakan panjang gelombangnya lebih pendek dibandingkan dengan laser konvensional. Dalam hal mode keluaran, laser attodetik termasuk dalam kategori laser berdenyut, yang ditandai dengan durasi denyutnya yang sangat singkat. Untuk memperjelas analoginya, kita dapat membayangkan laser gelombang kontinu seperti senter yang memancarkan sinar cahaya terus menerus, sedangkan laser berdenyut menyerupai lampu sorot, yang dengan cepat bergantian antara periode penerangan dan kegelapan. Intinya, laser attodetik menunjukkan perilaku berdenyut dalam penerangan dan kegelapan, namun transisi antara kedua keadaan tersebut terjadi pada frekuensi yang mencengangkan, mencapai ranah attodetik.

Kategorisasi lebih lanjut berdasarkan daya menempatkan laser ke dalam kelompok berdaya rendah, berdaya sedang, dan berdaya tinggi. Laser Attosecond mencapai daya puncak yang tinggi karena durasi pulsanya yang sangat pendek, sehingga menghasilkan daya puncak (P) – yang didefinisikan sebagai intensitas energi per satuan waktu (P=W/t). Meskipun pulsa laser attodetik individu mungkin tidak memiliki energi (W) yang sangat besar, jangkauan temporalnya yang disingkat (t) memberikannya kekuatan puncak yang tinggi.

Dalam hal domain aplikasi, laser mencakup spektrum yang mencakup aplikasi industri, medis, dan ilmiah. Laser Attosecond terutama menemukan tempatnya 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.

Kategorisasi berdasarkan media laser membedakan laser sebagai laser gas, laser keadaan padat, laser cair, dan laser semikonduktor. Generasi laser attodetik biasanya bergantung pada media laser gas, memanfaatkan efek optik nonlinier untuk menghasilkan harmonik tingkat tinggi.

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

Proses Rumit Generasi Laser Attosecond

Teknologi laser Attosecond berada di garis depan inovasi ilmiah, dengan serangkaian kondisi yang sangat ketat untuk generasinya. Untuk menjelaskan seluk-beluk generasi laser attosecond, kami memulai dengan penjelasan singkat tentang prinsip-prinsip yang mendasarinya, diikuti dengan metafora jelas yang berasal dari pengalaman sehari-hari. Pembaca yang tidak memahami seluk-beluk fisika yang relevan tidak perlu putus asa, karena metafora berikutnya bertujuan untuk membuat fisika dasar laser attosecond dapat diakses.

Proses pembangkitan laser attosecond terutama bergantung pada teknik yang dikenal sebagai High Harmonic Generation (HHG). Pertama, seberkas pulsa laser femtodetik (10^-15 detik) intensitas tinggi difokuskan secara ketat pada bahan target berbentuk gas. Perlu dicatat bahwa laser femtosecond, mirip dengan laser attosecond, memiliki karakteristik yang sama yaitu memiliki durasi pulsa yang pendek dan daya puncak yang tinggi. Di bawah pengaruh medan laser yang kuat, elektron-elektron dalam atom gas untuk sementara dibebaskan dari inti atomnya, dan untuk sementara memasuki keadaan elektron bebas. Ketika 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 bergabung kembali dengan inti atom, elektron melepaskan energi tambahan dalam bentuk emisi harmonik tinggi, yang bermanifestasi sebagai foton berenergi tinggi.

Frekuensi foton berenergi tinggi yang baru dihasilkan ini adalah kelipatan bilangan bulat dari frekuensi laser asli, membentuk apa yang disebut harmonik tingkat tinggi, di mana "harmonik" menunjukkan frekuensi yang merupakan kelipatan integral dari frekuensi asli. Untuk mendapatkan laser attodetik, penting untuk menyaring dan memfokuskan harmonik tingkat tinggi ini, memilih harmonik tertentu dan memusatkannya ke titik fokus. Jika diinginkan, teknik kompresi pulsa dapat mempersingkat durasi pulsa, menghasilkan pulsa ultra-pendek dalam rentang attodetik. Terbukti, pembuatan laser attosecond merupakan proses yang canggih dan beragam, menuntut kecakapan teknis tingkat tinggi dan peralatan khusus.

Untuk memperjelas proses rumit ini, kami menawarkan persamaan metaforis yang didasarkan pada skenario sehari-hari:

Pulsa Laser Femtodetik Intensitas Tinggi:

Bayangkan memiliki ketapel yang sangat kuat yang mampu melontarkan batu secara instan dengan kecepatan luar biasa, serupa dengan peran yang dimainkan oleh pulsa laser femtodetik berintensitas tinggi.

Bahan Sasaran Gas:

Bayangkan sebuah perairan tenang yang melambangkan bahan target berbentuk gas, di mana setiap tetesan air mewakili banyak sekali atom gas. Tindakan mendorong batu ke dalam perairan ini serupa dengan dampak pulsa laser femtodetik berintensitas tinggi pada bahan target berbentuk gas.

Gerak Elektron dan Rekombinasi (Transisi Secara Fisik):

Ketika pulsa laser femtosecond berdampak pada atom gas di dalam bahan target berbentuk gas, sejumlah besar elektron terluar akan tereksitasi sejenak ke keadaan di mana mereka terlepas dari inti atomnya masing-masing, membentuk keadaan seperti plasma. Ketika energi sistem kemudian berkurang (karena pulsa laser pada dasarnya berdenyut, menampilkan interval penghentian), elektron terluar ini kembali ke sekitar inti atom, melepaskan foton berenergi tinggi.

Generasi Harmonik Tinggi:

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

Pemfilteran dan Pemfokusan:

Menggabungkan semua sinar laser yang baru dihasilkan ini menghasilkan spektrum berbagai warna (frekuensi atau panjang gelombang), beberapa di antaranya merupakan 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 pendek, Anda dapat mempercepat penyebarannya menggunakan perangkat khusus, sehingga mengurangi waktu bertahannya setiap riak. Pembuatan laser attosecond melibatkan proses yang saling mempengaruhi dan kompleks. Namun, jika dipecah dan divisualisasikan, hal itu menjadi lebih mudah dipahami.