Komentar: Bagaimana ilmu pengetahuan dalam rentang waktu yang sangat kecil dapat mempercepat komputer dan meningkatkan kualitas sel surya

Yuliana Hasanah January 16, 2025

0 4 minutes read

Profesor Carla Figueira De Morisson Faria (UCL Physics & Astronomy) menulis dalam The Conversation tentang bagaimana penelitian terhadap pulsa laser yang sangat pendek dapat berdampak luas pada berbagai teknologi.

Ilmu pengetahuan Attosecond, studi yang dipimpin laser tentang apa yang terjadi pada materi dalam rentang waktu yang sangat singkat, dapat membawa kemajuan besar dalam pemahaman kita tentang proses tercepat di alam.

Hal ini dapat meningkatkan kemampuan komputer dalam memecahkan masalah, mengembangkan sel tenaga surya yang lebih efisien, dan mengidentifikasi perawatan medis baru serta meningkatkan proses diagnostik – semua bidang penelitian yang penting saat kita mencari solusi terhadap perubahan iklim dan cara-cara inovatif untuk memerangi penyakit.

Satu attodetik setara dengan sepersejuta dari sepersejuta detik. Sains Attosecond – subjek hadiah Nobel fisika tahun 2023 – melibatkan penggunaan gelombang sinar laser yang sangat pendek dan intens yang hampir tak terbayangkan untuk mentransfer banyak energi ke material “target”. Hal ini menyebabkan material tersebut memancarkan partikel elektron yang bergerak sangat cepat bersama dengan sinar ultraviolet dan sinar X – sehingga pergerakan elektron dapat diamati secara real time.

Fisikawan seperti saya kemudian dapat mengukur atau memprediksi bagaimana elektron bergerak, sesuatu yang biasanya tidak dapat dilakukan. Dan dengan memperpendek pulsa attodetik, kita dapat memperoleh lebih banyak informasi tentang perilaku elektron.

Elektron adalah partikel yang sangat kecil – bahan penyusun materi – yang membawa energi dalam atom, biomolekul (yang dapat bertindak sebagai obat medis baru), struktur nano, dan logam. Mengontrol pergerakan elektron, dan menangkapnya dalam gambar, dapat sepenuhnya mengubah cara kita memandang dan berinteraksi dengan alam. Ilmu attosecond telah melahirkan penelitian baru di berbagai bidang seperti attokimia, attobiologi, dan attomikroskopi.

Memperpendek denyut nadi

Dalam beberapa tahun terakhir, pulsa laser yang digunakan dalam ilmu attosecond menjadi lebih pendek dan medan laser menjadi lebih intens. Rekor dunia untuk pulsa cahaya terpendek adalah 43 attodetik, dicapai di universitas Swiss ETH Zurich pada tahun 2017.

Ini memecahkan rekor 53 attodetik yang dibuat beberapa bulan sebelumnya oleh para peneliti di Universitas Central Florida, yang telah memecahkan rekor dunia dua kali selama lima tahun sebelumnya.

Pulsa attodetik yang sangat pendek ini juga membawa lebih banyak energi – terutama bila dihasilkan menggunakan laser elektron bebas, yang dapat menjangkau elektron jauh di dalam inti atom yang sebelumnya tidak dapat diakses.

Sains Attosecond memungkinkan para ilmuwan untuk menyelidiki dasar-dasar fisika kuantum dalam kondisi yang lebih luas. Sebuah tim di Korea Selatan melaporkan bahwa mereka mencapai intensitas laser yang setara dengan mengambil “seluruh sinar matahari di seluruh planet” dan memampatkannya menjadi area “seukuran sel darah merah”.

Hal ini mungkin membuka jalan bagi penciptaan partikel sub-atom dari ruang hampa hanya dengan menggunakan cahaya – sehingga memberikan cara baru bagi fisikawan untuk mempelajari partikel-partikel ini, bahan penyusun materi di alam semesta kita.

Dalam dekade terakhir, ilmu attosecond juga telah beralih dari bahan sasarannya berupa gas dan molekul kecil ke bahan padat dan molekul organik. Namun medan elektromagnetik kuat yang dihasilkan oleh laser dapat mengubah struktur target, atau bahkan menghancurkannya – sehingga hal ini dapat menjadi proses yang menantang bagi para ilmuwan untuk melaksanakannya.

Dalam material seperti fotovoltaik organik (digunakan dalam sel surya), yang mengandung zat berbasis karbon termasuk plastik, elektron berinteraksi satu sama lain dan lingkungan sekitarnya ketika terkena pulsa attodetik.

Mempelajari perilaku ini dapat membantu para ilmuwan meningkatkan teknologi sel surya: melacak sepersekian detik setelah cahaya menyinari sel dapat memungkinkan bahan di dalamnya diubah, sehingga meningkatkan kinerja.

Ilmu pengetahuan Attosecond dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang fotosintesis, di mana tumbuhan mengubah energi cahaya menjadi energi kimia untuk menopang kehidupan. Bidang ini juga bisa menjadi kunci untuk membangun komputer optoelektronik, yang memiliki kecepatan peralihan (ukuran daya tanggapnya) 100.000 kali lebih cepat dibandingkan perangkat elektronik digital yang ada.

Kecepatan peralihan yang cepat memungkinkan perangkat melakukan lebih banyak operasi per detik, sehingga memungkinkan komputer menjadi lebih cepat.

Aplikasi kuantum

Penelitian teoretis tentang potensi menggabungkan sains attodetik dengan komputasi kuantum sedang berlangsung. Setidaknya secara teori, menggabungkan keduanya dapat memungkinkan perhitungan yang sangat sulit melebihi apa yang mungkin dilakukan dengan komputer konvensional. Perangkat semacam itu akan diaktifkan oleh beberapa prinsip penting dari fisika kuantum.

Salah satu prinsipnya adalah “superposisi”: kemampuan partikel kuantum, seperti atom, untuk berada dalam beberapa keadaan kuantum pada saat yang bersamaan. Komputer kuantum mengkodekan datanya dalam partikel yang dikenal sebagai qubit. Jadi, jika qubit berada dalam superposisi, ini berarti qubit dapat menyelesaikan sejumlah besar solusi potensial untuk suatu masalah sekaligus – sebuah keunggulan utama dibandingkan komputer konvensional.

Prinsip penting lainnya adalah “keterikatan”, di mana dua atau lebih partikel sub-atom menjadi terhubung. Hal ini memungkinkan banyak qubit bertindak secara terkoordinasi, juga memungkinkan kecepatan pemrosesan yang lebih cepat.

Tujuan utamanya adalah untuk mencapai kondisi yang memungkinkan efek kuantum direkayasa secara tepat, sehingga kita dapat membangun komputer kuantum yang memiliki kegunaan praktis. Sejauh ini, hal ini dicapai dengan mencoba mencegah “dekoherensi”, di mana qubit secara spontan kehilangan sifat kuantumnya.

Namun proses yang disebabkan oleh cahaya dan rentang waktu yang sangat singkat dalam ilmu attosecond dapat memberi kita pilihan lain untuk mencapai kontrol yang lebih baik atas qubit dalam komputer kuantum.

Baru-baru ini, skema penggunaan pulsa attodetik dalam molekul kecil untuk mengontrol belitan dan koherensi qubit (sehingga mereka terus berperilaku sesuai dengan hukum fisika kuantum) telah berhasil didemonstrasikan.

Bagian integral dari pekerjaan kelompok saya di UCL adalah mengeksplorasi pendekatan baru terhadap fenomena attodetik, mengembangkan penggunaan pencitraan ultracepat dan mempelajari efek kuantum di berbagai bidang.

Bidang yang begitu dinamis membawa banyak kontroversi. Komunitas sains attosecond terbagi menjadi faksi-faksi yang berbeda pendapat mengenai beberapa poin mendasar.

Untuk mengubah kontroversi menjadi diskusi yang konstruktif, kami ikut mendirikan Quantum Battles Workshops, yang merupakan tempat para peneliti awal karir dari kelompok saingan bertemu secara online dan secara langsung untuk membahas topik-topik kontroversial. Kami juga menyelenggarakan seri seminar gratis yang disebut Atto Fridays, dengan pembicaraan dan diskusi dipublikasikan di .

Kami beruntung dan merasa terhormat memiliki banyak pemimpin di bidang ini – termasuk satu atau dua pemenang hadiah Nobel – yang mendukung kegiatan kami. Kami berharap hal ini membantu mendorong ilmu pengetahuan attosecond menuju terobosan yang dapat memberikan dampak besar pada banyak bidang penelitian.

Artikel ini pertama kali muncul di Percakapan pada tanggal 15 Januari 2025.