Dunia pencak silat hanya cepat.
Terkadang, kita akan mencantumkan waktu yang sangat singkat, yang digambarkan sebagai "waktu detak jantung", dan durasi detak jantung adalah 10 pangkat 18 detik.
Dalam eksperimen baru-baru ini yang mirip dengan fotografi stop-motion, tim ilmuwan dari Amerika Serikat dan Jerman untuk pertama kalinya menangkap "bingkai beku" elektron yang bergerak dalam air cair secara real time, dan hasilnya dipublikasikan di jurnal Science.
Pakar juri memaparkan hasil penelitian peraih Nobel Fisika 2023 pada pengumuman Penghargaan Nobel Fisika 2023 di Stockholm, Swedia, 3 Oktober 2023
Menurut para ahli, hasil ini menandai kemajuan besar dalam fisika eksperimental, memberikan gambaran tentang struktur elektronik molekul dalam cairan dalam skala waktu yang sebelumnya tidak dapat dicapai dengan sinar-X. Sebelumnya, para ilmuwan hanya mampu menyelesaikan pergerakan elektron dalam skala waktu pikodetik (1 detik=1 triliun pikodetik). Kini, kemampuan untuk mempelajari reaksi elektronik sinar-X yang mengenai target pada skala attodetik memungkinkan para peneliti menyelidiki reaksi kimia akibat radiasi jutaan kali lebih cepat dibandingkan metode sebelumnya.
Semua indikasi menunjukkan bahwa laser attosecond mungkin menjadi kunci untuk membuka dunia elektronik yang misterius.
Apa itu "attodetik"?
Bagi masyarakat awam, attodetik adalah konsep yang sangat aneh.
Faktanya, pada awal periode Negara-negara Berperang, pemikir terkenal Tiongkok, mayat Kao mengemukakan "empat sisi atas dan bawah kata Yu, kuno dan modern kata Zeus," pandangan sederhana tentang ruang dan waktu. Hingga saat ini, di garis depan penelitian fisika, ruang dan waktu masih menjadi dua dimensi yang paling penting dan mendasar.
Sejauh menyangkut indera manusia, ketika suatu benda bergerak cepat, gambarannya menjadi kabur dan tumpang tindih, dan perubahan yang terjadi dalam waktu yang sangat singkat tidak dapat diamati. Oleh karena itu penting bagi para ilmuwan untuk mengembangkan “jendela waktu” yang lebih tepat untuk menangkap atau menggambarkan momen-momen yang sangat singkat ini.
Pada abad ke-19, ada pertanyaan yang banyak dibicarakan dan diperdebatkan dalam bidang fisika: ketika seekor kuda berlari, apakah keempat kakinya meninggalkan tanah pada saat yang bersamaan?
Pengusaha Amerika Leland Stanford sangat tertarik dengan pertanyaan ini. Untuk memverifikasi dugaan ini, dia mendekati fotografer terkenal Edvard Muybridge. Pada masa itu, fungsi video belum lahir, waktu respon shutter kamera adalah 15 detik, bahkan terkadang sampai satu menit.
Kuda tidak akan melambat untuk menjaga shutter kamera, dan suara gemerincing kuku mereka adalah hambatan terbesar untuk memverifikasi hipotesis ini. Edvard Maibridge tidak menyerah begitu saja, ia memiliki ide cemerlang, tidak hanya memperbaiki desain shutter kamera, tetapi juga menempatkan 12 kamera dan mekanisme di runway. Setiap kali kuda mendekati kamera, mekanismenya akan terpicu dan foto akan diambil. Pada akhirnya, ia menyatukan 12 foto tersebut, yang merupakan keseluruhan proses lari kudanya.
Dengan melihat foto-foto yang disambung, orang-orang segera menemukan jawaban atas pertanyaan: ketika seekor kuda berlari, ia memang dapat mengabadikan momen - keempat kakinya meninggalkan tanah pada saat yang bersamaan.
Pada tanggal 3 Oktober 2023, Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia mengumumkan bahwa mereka telah menganugerahkan Hadiah Nobel Fisika tahun itu kepada Pierre Agostini, Ferenc Krauss, dan Anne Lhuillier atas "metode eksperimental mereka dalam menghasilkan pulsa cahaya attodetik untuk mempelajari dinamika elektron dalam materi."
“Sekarang kita dapat membuka pintu ke dunia elektron. Fisika Attosecond telah memberi kita kesempatan untuk memahami mekanisme kendali elektronik. Langkah selanjutnya adalah mengeksploitasinya.” Demikian kata Eva Olson, ketua Komite Nobel Fisika.
Ketika para ilmuwan mendalami dunia elektron, mereka menemukan bahwa laju perubahan posisi dan energi bervariasi antara satu hingga beberapa ratus attodetik, di mana satu attodetik sama dengan sepersejuta detik. Teknologi cahaya berdenyut attosecond adalah skala waktu tercepat yang tersedia bagi umat manusia saat ini, dan itu seperti penggaris, semakin halus skala penggaris, semakin tinggi presisi yang diukur.
Yuan Lanfeng, wakil direktur Departemen Komunikasi Sains dan Teknologi, Sekolah Humaniora dan Ilmu Sosial, Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, mengatakan bahwa pulsa cahaya attodetik dapat dipahami sebagai prinsip kamera berkecepatan tinggi, dan bahwa a Kamera dengan kecepatan reaksi yang cepat diperlukan untuk mengabadikan momen-momen indah dari proses pergerakan seseorang. Pulsa cahaya attodetik adalah "kamera berkecepatan tinggi" dalam penelitian reaksi mikroskopis.
Di masa lalu, batas waktu untuk pulsa laser adalah "femtodetik", yang cukup bagi manusia untuk melihat atom, namun untuk elektron, resolusi waktu "femtodetik" sangat kasar sehingga, menurut skala ini, seseorang hanya dapat memperoleh efek seperti mosaik. Kemajuan Denyut Cahaya yang Koheren dari Femtodetik
Kemajuan pulsa cahaya koheren dari femtosekon ke attodetik bukan hanya kemajuan sederhana dalam skala waktu, namun yang lebih penting, hal ini meningkatkan kemampuan manusia untuk mempelajari struktur materi mulai dari pergerakan atom dan molekul hingga bagian dalam atom, di mana mereka dapat menyelidiki gerak dan perilaku korelasi elektron, yang akan membawa pada revolusi besar dalam penelitian fisika dasar.
Apa yang akan dibawa oleh attodetik kepada orang-orang biasa?
Suatu hari di tahun 1999, Ahmed Xavier, seorang profesor di Institut Teknologi California, memenangkan Hadiah Nobel Kimia atas penemuannya. Penelitian Xavier pada tahun 1980-an, menggunakan sinar laser untuk memfilmkan osilasi atom dalam keadaan transisi, membantu para ilmuwan mengamati atom dan molekul dalam proses reaksi kimia dalam "gerakan lambat", dan dengan demikian mempelajari sifat dan struktur atom. keadaan transisi. Karena alasan ini, Xavier juga dikenal sebagai "bapak kimia femtosecond".
Sejak itu, para ilmuwan menyadari bahwa laser, seperti kilat, dapat menangkap momen-momen singkat tersebut. Penemuan ini memberikan landasan teoretis bagi serangkaian penelitian disruptif.
Saat ini, kecepatan laser ini telah ditingkatkan ribuan kali lipat, berhasil mewujudkan perubahan drastis dari femtodetik ke attodetik.
Saat ini, ketika orang menyebut laser femtosecond, mereka sering kali memikirkan banyaknya penerapan yang diwakili oleh operasi miopia laser femtosecond. Dan jika berbicara tentang laser attosecond, sepertinya sulit untuk menghubungkan istilah ini dengan kehidupan produktif masyarakat awam.
Yuan Lanfeng terus terang berkata, "Laser sedetik tidak banyak digunakan saat ini, penerapannya baru saja dimulai, dan semuanya masih tertahan dalam penelitian dasar." Namun, ini tidak berarti bahwa pulsa cahaya attodetik tidak memiliki potensi penerapan, "hal ini membuka sebuah pintu, namun apa yang ada di balik pintu ini masih perlu kita eksplorasi secara mendalam." Dia berkata.
Jadi ada apa di balik pintu itu?
Sistem ablasi medan berdenyut difoto di stan Medtronic di bagian Alat Kesehatan dan Perawatan Kesehatan pada Pameran ke-6 pada tanggal 5 November 2023
"Gerakan elektron bertanggung jawab untuk menghasilkan cahaya serta pembentukan dan pemutusan ikatan kimia yang mengubah struktur biomolekul dan fungsinya dalam sistem kehidupan, dan untuk memproses informasi secepat mungkin...... Saat ini, kami menggunakan pulsa cahaya attosecond untuk lebih memahami proses mikroskopis yang melibatkan elektron, atom, dan molekul dan mencari tahu bagaimana pengaruhnya terhadap dunia makroskopis." Sebelumnya, setelah memenangkan Wolf Prize bidang Fisika, Ferenc Krauss menyatakan nilai penerapan fisika attodetik dengan cara ini.
Eva Olson, sebaliknya, mengatakan bahwa fisika attodetik memberi kita kesempatan untuk memahami mekanisme kontrol elektronik, membuka jalan bagi penerapan potensial dalam industri informasi elektronik dan kedokteran.
Wei Zhiyi, seorang peneliti di Institut Fisika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, percaya bahwa teknologi ini dapat dikombinasikan dengan superkonduktivitas, bahan nano, industri fotovoltaik, farmasi, pengobatan laser, dan bidang lainnya untuk mendorong pemahaman yang lebih mendalam tentang struktur tersebut. materi oleh umat manusia, yang akan mengarah pada kemajuan revolusioner yang relevan.
Tidak diragukan lagi, meskipun penerapan fisika attodetik saat ini masih jauh dari imajinasi sebagian orang, skenario penerapannya sangat luas.
Ini memberi umat manusia sepasang "mata cerdas" untuk mempelajari dunia mikroskopis.
Dengan dukungannya, banyak proses mikroskopis tidak lagi memerlukan "bukti tidak langsung" untuk dikonfirmasi, namun dapat diamati secara langsung: laser attosecond dapat digunakan untuk memotret berbagai proses gerak berkecepatan tinggi, seperti reaksi kimia, skala molekuler. gerak dan gerak skala atom.
Memotret reaksi kimia dengan laser attosecond dapat membantu para ilmuwan lebih memahami mekanisme reaksi dan lebih meningkatkan proses kimia. Memotret pergerakan molekul dan atom dengan laser attosecond dapat mengungkap interaksi dan proses kinetiknya, yang penting untuk penelitian dalam ilmu material dan biosains.
Di bidang biomedis, misalnya, teknologi pencitraan resolusi tinggi dari pulsa attosecond diharapkan dapat meningkatkan diagnosis dini dan pengobatan penyakit, serta memberikan terobosan baru dalam studi kanker, penyakit saraf, dan tantangan medis utama lainnya.
Diketahui bahwa tim Ferenc Krauss juga mencoba menggunakan teknik femtosecond dan attosecond untuk menganalisis sampel darah dan mendeteksi perubahan kecil di dalamnya. Mereka menganalisis apakah perubahan ini cukup spesifik untuk dapat mendiagnosis penyakit dengan jelas pada tahap awal penyakit. Teknologi ini mungkin berdampak signifikan pada studi kanker dan penyakit sulit lainnya.
Percepatan "era attosecond"?
Pada tahun 2021, majalah Science menerbitkan "125 masalah ilmiah paling mutakhir di dunia", dan lebih dari 10 di antaranya perlu diselesaikan dengan sains ultracepat. Munculnya pulsa attosecond diharapkan dapat melahirkan inovasi yang lebih orisinal di beberapa bidang penelitian ilmiah dan terapan.
Laser attosecond bukanlah anugerah alam, melainkan keajaiban buatan manusia.
Fisikawan Perancis Anne Lhuillier adalah orang pertama yang menemukan alat untuk membuka dunia attodetik. pada tahun 1987, ia melakukan eksperimen ionisasi gas, panjang gelombang sinar laser 1064 nanometer menjadi argon dan beberapa gas mulia lainnya, warna gas tersebut tampak berbeda dari eksperimen sebelumnya.
Dia kemudian menerbitkan makalah kunci, menemukan fenomena harmonik tinggi yang dihasilkan oleh iradiasi laser yang kuat dari gas mulia, dan memperoleh struktur spektral khas harmonik tinggi, yang lebar spektralnya mampu mendukung pulsa dalam urutan attodetik, menyediakan kondisi prasyarat untuk terobosan pulsa laser ke attodetik. Sejak itu, karir penelitiannya dan laser attodetik saling terkait erat, dan 16 tahun kemudian, ia memimpin tim peneliti untuk memecahkan rekor dunia untuk pulsa laser terpendek yaitu 170 attodetik.
Dua ilmuwan lain yang memenangkan Hadiah Nobel Fisika bersamanya juga telah menambahkan "gedung attodetik": Ferenc Kraus dari Hongaria memimpin tim peneliti untuk membuat dan mengukur pulsa cahaya attodetik pertama pada tahun 2001, dan menggunakannya untuk menangkap pulsa cahaya attodetik. pergerakan elektron di dalam atom, menandai lahirnya fisika attodetik. Selain itu, timnya berhasil mengisolasi pulsa yang berlangsung selama 650 attodetik, pertama kalinya para ilmuwan berhasil melacak pelepasan elektron dari atom. Pierre Agostini dari Prancis, pemimpin dalam interaksi laser medan kuat dengan atom, dan timnya memelopori fisika attodetik dengan menghasilkan dan mengukur pulsa cahaya attodetik untuk pertama kalinya dan menggunakannya untuk menangkap pergerakan elektron di dalam atom.
Saat ini, semakin banyak ilmuwan yang bersaing untuk mendapatkan posisi teratas dalam bidang ini di banyak belahan dunia.
Di laboratorium, hasil yang bermanfaat sering kali diperoleh: pada tahun 2022, para peneliti dari Universitas Michigan dan Universitas Regensburg di Jerman berkolaborasi untuk menangkap pergerakan elektron dalam waktu beberapa ratus attodetik, yang merupakan kecepatan tercepat sejauh ini.
Pada tahun yang sama, tim peneliti dari Center for Advanced Photonics di RIKEN Institute of Science and Chemistry di Jepang dan Universitas Tokyo berkolaborasi untuk mengembangkan interferometer jenis baru untuk menangani pinggiran yang timbul dari interferensi optik yang berasal dari pulsa attodetik. dan interferensi kuantum dengan keadaan elektronik dalam materi. Mereka mendemonstrasikan kelayakan skema interferometer dengan pemisahan pulsa harmonik tinggi pasca-generatif melalui eksperimen menggunakan sampel atom helium.
Selain itu, konstruksi internasional dan persaingan untuk fasilitas laser attosecond telah dimulai. Didukung oleh fisikawan pemenang Hadiah Nobel Gérard Mourou dan lainnya, Uni Eropa telah memimpin di Hongaria dalam pembangunan European Extreme Light Facility-Altosecond Light Source (ELI-ALPS), dan telah mempromosikan pembangunan perusahaan-perusahaan terkenal secara internasional seperti seperti Fastlite, Fiber Aktif, dan Konversi Cahaya. Perusahaan teknologi laser seperti Fastlite, Active Fiber, Light Conversion dan iterasi dan peningkatan produk terkenal internasional lainnya, teknologi laser generasi baru ini akan memainkan peran penting dalam manufaktur maju, ilmu pengetahuan dan teknologi pertahanan nasional, dan bidang lainnya.
Di Tiongkok, unit penelitian ilmiah terkait sedang melaksanakan pembangunan infrastruktur sumber cahaya attosecond dalam skala besar, seperti Institut Fisika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok dan Laboratorium Bahan Danau Songshan di Dongguan, Provinsi Guangdong, Danau Songshan untuk membangun pusat sains attosecond. Dapat dipahami bahwa setelah selesainya pusat ini diharapkan dapat mencapai indikator-indikator komprehensif terkemuka internasional.
