January 28, 2022
Mengubah Material Dengan Cahaya – Mengaktifkan Windows yang Berubah Menjadi Cermin dan Komputer Berkecepatan Super Tinggi

Mengubah Material Dengan Cahaya – Mengaktifkan Windows yang Berubah Menjadi Cermin dan Komputer Berkecepatan Super Tinggi

Sebuah laser yang kuat terlihat menyinari material di ruang bersuhu rendah. Laser digunakan untuk mengubah tingkat transparansi material. Kredit: Laboratorium Caltech/David Hsieh

Bayangkan jendela yang dapat dengan mudah berubah menjadi cermin, atau komputer berkecepatan super tinggi yang tidak dijalankan dengan elektron melainkan cahaya. Ini hanyalah beberapa aplikasi potensial yang dapat muncul dari rekayasa optik, praktik penggunaan laser untuk mengubah sifat material secara cepat dan sementara.

“Alat-alat ini memungkinkan Anda mengubah sifat elektronik bahan hanya dengan menekan tombol lampu,” kata Profesor Fisika Caltech, David Hsieh. “Tetapi teknologi telah dibatasi oleh masalah laser yang menciptakan terlalu banyak panas pada bahan.”

Dalam sebuah studi baru di Alam, Hsieh dan timnya, termasuk penulis utama dan mahasiswa pascasarjana Junyi Shan, melaporkan keberhasilan menggunakan laser untuk secara dramatis memahat sifat-sifat bahan tanpa menghasilkan panas berlebih yang merusak.

“Laser yang diperlukan untuk eksperimen ini sangat kuat, jadi sulit untuk tidak memanaskan dan merusak bahan,” kata Shan. “Di satu sisi, kami ingin material terkena sinar laser yang sangat intens. Di sisi lain, kami tidak ingin material menyerap cahaya itu sama sekali.”

Tim menemukan “titik manis” untuk menyiasatinya, kata Shan, di mana frekuensi laser disetel sedemikian rupa untuk mengubah sifat material secara nyata tanpa memberikan panas yang tidak diinginkan.

Junyi Shan

Junyi Shan Kredit: Caltech

Para ilmuwan juga mengatakan mereka menemukan bahan yang ideal untuk mendemonstrasikan metode ini. Bahannya, semikonduktor yang disebut mangan fosfor trisulfida, secara alami hanya menyerap sedikit cahaya pada rentang frekuensi inframerah yang luas. Untuk percobaan mereka, Hsieh, Shan, dan rekan menggunakan pulsa laser inframerah intens, masing-masing berlangsung sekitar 10-13 detik, dengan cepat mengubah energi elektron di dalam materi. Akibatnya, material bergeser dari keadaan sangat buram ke sangat transparan untuk warna cahaya tertentu.

Yang lebih kritis, kata para peneliti, adalah bahwa prosesnya dapat dibalik. Saat laser mati, material langsung kembali ke keadaan semula tanpa cedera sama sekali. Hal ini tidak akan mungkin terjadi jika bahan telah menyerap sinar laser dan memanas karena akan membutuhkan waktu lama untuk bahan tersebut menghilangkan panas. Manipulasi bebas panas yang digunakan dalam proses baru ini dikenal sebagai “rekayasa optik koheren.”

Metode ini bekerja karena cahaya mengubah perbedaan antara tingkat energi elektron dalam semikonduktor (disebut celah pita) tanpa menendang elektron itu sendiri ke tingkat energi yang berbeda, yang menghasilkan panas.

David Hsieh

David Hsieh. Kredit: Caltech

“Seolah-olah Anda memiliki perahu, dan kemudian gelombang besar datang dan dengan kuat mengayunkan perahu ke atas dan ke bawah tanpa menyebabkan penumpang jatuh,” jelas Hsieh. “Laser kami dengan penuh semangat mengguncang tingkat energi material, dan itu mengubah sifat material, tetapi elektron tetap berada di tempatnya.”

Para peneliti sebelumnya telah berteori bagaimana metode ini akan bekerja. Misalnya, pada tahun 1960-an, alumnus Caltech Jon H. Shirley (PhD ’63), mengajukan ide-ide matematika tentang bagaimana memecahkan tingkat energi elektron dalam material dengan adanya cahaya. Berdasarkan pekerjaan ini, tim Caltech Hsieh bekerja sama dengan ahli teori Mengxing Ye dan Leon Balents dari UC Santa Barbara untuk menghitung efek yang diharapkan dari penerangan laser pada fosfor trisulfida mangan. Teorinya cocok dengan eksperimen dengan “luar biasa” ketepatan, kata Hsieh.

Temuan ini, kata Hsieh, berarti bahwa peneliti lain sekarang berpotensi menggunakan cahaya untuk membuat bahan secara artifisial, seperti magnet kuantum eksotis, yang sebelumnya sulit atau bahkan tidak mungkin dibuat secara alami.

“Pada prinsipnya, metode ini dapat mengubah optik, magnet, dan banyak sifat material lainnya,” kata Shan. “Ini adalah cara alternatif dalam melakukan ilmu material. Daripada membuat bahan baru untuk mewujudkan sifat yang berbeda, kita dapat mengambil hanya satu bahan dan akhirnya memberikan berbagai sifat yang berguna.”

Referensi: “Modulasi raksasa nonlinier optik oleh teknik Floquet” oleh Jun-Yi Shan, M. Ye, H. Chu, Sungmin Lee, Je-Geun Park, L. Balents dan D. Hsieh, 8 Desember 2021, Alam.
DOI: 10.1038 / s41586-021-04051-8

Studi ini didanai oleh Kantor Penelitian Angkatan Darat; Yayasan David dan Lucile Packard; National Science Foundation melalui Institute for Quantum Information and Matter di Caltech dan melalui UC Santa Barbara; Yayasan Gordon dan Betty Moore; dan Yayasan Riset Nasional Korea. Penulis lain termasuk Hao Chu (PhD ’17), serta Sungmin Lee dan Je-Geun Park dari Universitas Nasional Seoul.