Para peneliti telah mendemonstrasikan cara memanipulasi cahaya pada skala nano menggunakan kristal fotonik, mensimulasikan efek medan magnet pada elektron. Terobosan dalam manipulasi foton ini dapat berdampak signifikan pada pengembangan chip nanofotonik, meningkatkan perangkat seperti laser dan sumber cahaya kuantum. (Konsep artis.) Kredit: SciTechDaily.com
Peneliti AMOLF, bekerja sama dengan Delft University of Technology, berhasil menghentikan gelombang cahaya dengan merusak kristal fotonik dua dimensi yang menampungnya. Para peneliti menunjukkan bahwa deformasi halus sekalipun dapat berdampak besar pada foton dalam kristal. Hal ini mirip dengan efek medan magnet terhadap elektron.
“Prinsip ini menawarkan pendekatan baru untuk memperlambat medan cahaya dan dengan demikian meningkatkan kekuatannya. Menyadari hal ini pada sebuah chip sangat penting untuk banyak aplikasi,” kata pemimpin grup AMOLF, Ewold Verhagen. Para peneliti mempublikasikan temuan mereka di jurnal ilmiah Fotonik Alam pada tanggal 23 April. Pada saat yang sama, tim peneliti dari Pennsylvania State University menerbitkan artikel di jurnal ini tentang bagaimana mereka menunjukkan – secara independen dari tim Belanda – efek serupa.
Memanipulasi aliran cahaya dalam suatu material dalam skala kecil bermanfaat untuk pengembangan chip nanofotonik. Untuk elektron, manipulasi seperti itu dapat dilakukan dengan menggunakan medan magnet; gaya Lorentz mengarahkan gerak elektron. Namun, hal ini tidak mungkin dilakukan pada foton karena tidak bermuatan. Para peneliti di kelompok Gaya Fotonik di AMOLF sedang mencari teknik dan bahan yang memungkinkan mereka menerapkan gaya pada foton yang menyerupai efek medan magnet.
elektron
“Kami mencari inspirasi tentang bagaimana elektron berperilaku dalam material. Dalam sebuah konduktor, elektron pada prinsipnya dapat bergerak bebas, tetapi medan magnet luar dapat menghentikannya. Gerakan melingkar yang disebabkan oleh medan magnet menghentikan konduksi dan dengan demikian elektron hanya dapat berada dalam material jika mereka memiliki energi yang sangat spesifik. Tingkat energi ini disebut tingkat Landau, dan merupakan karakteristik elektron dalam medan magnet,” kata Verhagen.
“Tapi, pada material dua dimensi graphene – yang terdiri dari satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kristal – tingkat Landau ini juga dapat disebabkan oleh mekanisme yang berbeda dari medan magnet. Secara umum, graphene merupakan konduktor elektronik yang baik, namun hal ini berubah ketika susunan kristal mengalami deformasi, misalnya dengan meregangkannya seperti elastis. Deformasi mekanis seperti itu menghentikan konduksi; bahan berubah menjadi isolator dan akibatnya, elektron terikat pada tingkat Landau. Oleh karena itu, deformasi graphene memiliki efek serupa pada elektron dalam suatu material seperti medan magnet, bahkan tanpa magnet. Kami bertanya pada diri sendiri apakah pendekatan serupa juga akan berhasil untuk foton.”
Gambar mikroskop elektron dari kristal fotonik. Diameter lubang segitiga adalah 300 nanometer. Kelengkungan susunan kristal menghentikan pergerakan gelombang cahaya di dalam kristal. Kredit: AMOLF
Kristal Fotonik
Bekerja sama dengan Kobus Kuipers dari Universitas Teknologi Delft, kelompok Verhagen memang menunjukkan efek serupa pada cahaya dalam kristal fotonik. “Kristal fotonik biasanya terdiri dari pola lubang teratur – dua dimensi – di lapisan silikon. Cahaya dapat bergerak bebas dalam material ini, sama seperti elektron pada graphene,” kata penulis pertama René Barczyk yang berhasil mempertahankan tesis PhD-nya tentang topik ini tahun lalu. “Melanggar keteraturan ini dengan cara yang benar akan merusak susunan dan akibatnya mengunci foton. Inilah cara kami membuat level Landau untuk foton.”
Di tingkat Landau, gelombang cahaya tidak lagi bergerak; mereka tidak mengalir melalui kristal tetapi diam. Para peneliti berhasil menunjukkan hal ini, menunjukkan bahwa deformasi susunan kristal memiliki efek yang sama pada foton seperti medan magnet pada elektron.
Verhagen menyatakan, “Dengan bermain-main dengan pola deformasi, kami bahkan berhasil membentuk berbagai jenis medan magnet efektif dalam satu material. Akibatnya, foton dapat bergerak melalui bagian tertentu dari materi namun tidak pada bagian lain. Oleh karena itu, wawasan ini juga memberikan cara-cara baru untuk mengarahkan perhatian pada sebuah chip.”
Eksperimen Serentak
Karya Verhagen dan timnya terinspirasi oleh prediksi teoritis para peneliti di Pennsylvania State University dan Universitas Columbia.
Verhagen mengenang: “Saat kami melakukan pengukuran pertama, saya kebetulan berbicara dengan salah satu penulis penelitian lain ini. Ketika ternyata mereka juga mencari bukti eksperimental mengenai efek tersebut, kami memutuskan untuk tidak bersaing untuk menjadi yang pertama menerbitkannya, melainkan mengirimkan karya tersebut secara bersamaan ke penerbit. Meskipun beberapa detail dalam pendekatannya berbeda, kedua tim mampu menghentikan pergerakan gelombang cahaya dan mengamati tingkat Landau dengan mengubah bentuk kristal fotonik dua dimensi.
“Ini mendekatkan aplikasi on-chip,” kata Verhagen. “Jika kita bisa membatasi cahaya pada skala nano dan menghentikannya seperti ini, kekuatannya akan meningkat pesat. Dan tidak hanya di satu lokasi, tapi di seluruh permukaan kristal. Konsentrasi cahaya seperti itu sangat penting dalam perangkat nanofotonik, misalnya untuk pengembangan laser atau sumber cahaya kuantum yang efisien.”
Referensi: “Pengamatan level Landau dan keadaan tepi kiral dalam kristal fotonik melalui medan pseudomagnetik yang diinduksi oleh regangan sintetik” oleh René Barczyk, L. Kuipers dan Ewold Verhagen, 23 April 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01412-3
