Para peneliti telah merancang metode untuk mengukur posisi tiga dimensi atom secara akurat dengan satu gambar, merevolusi eksperimen mekanika kuantum dan pengembangan material dengan memfasilitasi manipulasi dan pelacakan atom secara tepat.
Metode yang dikembangkan di Universitas Bonn dan Bristol menggunakan prinsip fisika yang cerdik.
Selama lebih dari sepuluh tahun, fisikawan telah mampu menentukan dengan tepat posisi masing-masing atom dengan presisi lebih dari seperseribu milimeter menggunakan mikroskop khusus. Namun cara tersebut sejauh ini hanya menyediakan koordinat x dan y. Informasi tentang posisi vertikal atom – yaitu, jarak antara atom dan tujuan mikroskop – kurang.
Sebuah metode baru kini telah dikembangkan yang dapat menentukan ketiga koordinat spasial sebuah atom dengan satu gambar. Metode ini – yang dikembangkan oleh Universitas Bonn dan Universitas Bristol – didasarkan pada prinsip fisika yang cerdik. Studi ini baru-baru ini dipublikasikan di jurnal spesialis Tinjauan Fisik A.
Tantangan Mengukur Dimensi Ketiga
Siapa pun yang pernah menggunakan mikroskop di kelas biologi untuk mempelajari sel tumbuhan mungkin akan mengingat situasi serupa. Mudah untuk mengetahui bahwa kloroplas tertentu terletak di atas dan di sebelah kanan inti. Namun apakah keduanya berada pada bidang yang sama? Namun, setelah Anda menyesuaikan fokus pada mikroskop, Anda akan melihat bahwa gambar inti menjadi lebih tajam sedangkan gambar kloroplas menjadi kabur. Salah satunya harus sedikit lebih tinggi dan yang satu harus sedikit lebih rendah dari yang lain. Namun, metode ini tidak dapat memberikan kita rincian yang tepat tentang posisi vertikalnya.
Beginilah tampilannya dalam praktik: Arah rotasi yang berbeda dari berbagai “halter” menunjukkan bahwa atom-atom terletak pada bidang yang berbeda. Kredit: IAP/Universitas Bonn
Prinsipnya sangat mirip jika Anda ingin mengamati atom individu, bukan sel. Apa yang disebut mikroskop gas kuantum dapat digunakan untuk tujuan ini. Ini memungkinkan Anda menentukan koordinat x dan y suatu atom secara langsung. Namun, jauh lebih sulit untuk mengukur koordinat z, yaitu jarak ke lensa objektif: Untuk mengetahui pada bidang apa atom berada, beberapa gambar harus diambil dengan fokus dialihkan ke berbagai bidang berbeda. . Ini adalah proses yang rumit dan memakan waktu.
Mengubah titik bulat menjadi halter
“Kami kini telah mengembangkan metode yang memungkinkan proses ini diselesaikan dalam satu langkah,” jelas Tangi Legrand dari Institute of Applied Physics (IAP) di Universitas Bonn. “Untuk mencapai hal ini, kami menggunakan efek yang telah dikenal secara teori sejak tahun 1990an tetapi belum digunakan dalam mikroskop gas kuantum.”
Untuk melakukan percobaan pada atom, pertama-tama atom harus didinginkan secara signifikan agar atom-atom tersebut hampir tidak bergerak. Setelah itu, misalnya, dimungkinkan untuk menjebak mereka dalam gelombang sinar laser yang berdiri. Mereka kemudian menyelinap ke dalam palung ombak mirip dengan bagaimana telur diletakkan di dalam kotak telur. Setelah terjebak, untuk mengetahui posisinya, mereka terkena sinar laser tambahan, yang merangsang mereka untuk memancarkan cahaya. Fluoresensi yang dihasilkan muncul di mikroskop gas kuantum sebagai titik bulat yang agak kabur.
Gambaran atom yang dihasilkan oleh mikroskop gas kuantum biasanya berupa bintik bulat dan agak kabur. Para peneliti telah mengubahnya menjadi bentuk halter (gambar menunjukkan prediksi teoretis). Arah menunjuk halter menunjukkan koordinat z. Kredit: IAP/Universitas Bonn
“Kami kini telah mengembangkan metode khusus untuk mengubah bentuk muka gelombang cahaya yang dipancarkan atom,” jelas Dr. Andrea Alberti. Peneliti, yang kini pindah dari IAP ke Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching, juga berpartisipasi dalam penelitian ini. “Alih-alih bintik bulat pada umumnya, muka gelombang yang terdeformasi menghasilkan bentuk halter pada kamera yang berputar mengelilingi dirinya sendiri. Arah titik halter ini bergantung pada jarak yang harus ditempuh cahaya dari atom ke kamera.”
“Oleh karena itu, halter bertindak seperti jarum pada kompas, memungkinkan kita membaca koordinat z sesuai dengan orientasinya,” kata Prof. Dr. Dieter Meschede. Peneliti IAP, yang kelompok penelitiannya melakukan penelitian ini, juga merupakan anggota bidang penelitian transdisipliner “Materi” di Universitas Bonn.
Penting untuk eksperimen mekanika kuantum
Metode baru ini memungkinkan untuk secara tepat menentukan posisi atom dalam tiga dimensi hanya dengan satu gambar. Hal ini penting, misalnya, jika Anda ingin melakukan eksperimen mekanika kuantum dengan atom karena kemampuan mengontrol atau melacak posisinya secara tepat sering kali penting. Hal ini memungkinkan peneliti untuk membuat atom berinteraksi satu sama lain dengan cara yang diinginkan.
Selain itu, metode ini juga dapat digunakan untuk membantu mengembangkan material kuantum baru dengan karakteristik khusus. “Misalnya, kita dapat menyelidiki efek mekanika kuantum mana yang terjadi ketika atom disusun dalam urutan tertentu,” jelas Dr. Carrie Weidner dari University of Arizona. Universitas Bristol. “Ini akan memungkinkan kita untuk mensimulasikan sifat-sifat material tiga dimensi sampai batas tertentu tanpa harus mensintesisnya.”
Referensi: “Pencitraan tiga dimensi atom tunggal dalam kisi optik melalui rekayasa fungsi penyebaran titik heliks” oleh Tangi Legrand, Falk-Richard Winkelmann, Wolfgang Alt, Dieter Meschede, Andrea Alberti dan Carrie A. Weidner, 5 Maret 2024, Tinjauan Fisik A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.109.033304
Universitas Bonn dan Universitas Bristol berpartisipasi dalam penelitian ini. Penelitian ini dibiayai oleh German Research Foundation (DFG).
