Gambar Pertama Foton Berbentuk Lemon Diciptakan, Membuka Peluang Baru dalam Fisika Kuantum  

Peneliti di Universitas Birmingham berhasil menciptakan gambar pertama foton, partikel cahaya berbentuk lemon yang dipancarkan dari permukaan nanopartikel. (Ben Yuen and Angela Demetriadou)

PENELITI di Birmingham menciptakan gambar pertama foton, partikel cahaya berbentuk lemon yang dipancarkan dari permukaan nanopartikel. Teori yang memungkinkan pencitraan ini, dilaporkan pada 14 November di jurnal Physical Review Letters, memungkinkan para ilmuwan menghitung dan memahami berbagai sifat partikel kuantum tersebut. Penemuan ini dapat membuka peluang baru di bidang seperti komputasi kuantum, perangkat fotovoltaik, dan fotosintesis buatan.  

Perilaku kuantum cahaya telah dikenal selama lebih dari 100 tahun, dengan eksperimen yang menunjukkan cahaya dapat berperilaku sebagai gelombang dan partikel. Namun, pemahaman kita tentang sifat kuantum ini masih terbatas, termasuk bagaimana foton diciptakan, dipancarkan, dan berubah seiring ruang dan waktu.  

"Kami ingin memahami proses ini untuk memanfaatkan sisi kuantum tersebut," kata penulis utama Ben Yuen, seorang peneliti di Universitas Birmingham. "Bagaimana cahaya dan materi benar-benar berinteraksi pada level ini?"  

Namun, sifat cahaya sendiri memiliki kemungkinan yang hampir tak terbatas. "Kita bisa menganggap foton sebagai eksitasi mendasar dari medan elektromagnetik," jelas Yuen. Medan ini adalah kontinum dari berbagai frekuensi, yang masing-masing berpotensi menjadi tereksitasi. "Antara dua titik mana pun, ada jumlah kemungkinan titik yang tak terhingga," tambahnya.  

Akibatnya, sifat foton sangat bergantung pada sifat lingkungannya, menghasilkan persamaan matematika yang sangat kompleks. "Awalnya, kita harus menulis dan menyelesaikan jumlah persamaan yang tak terhingga untuk mendapatkan jawaban," kata Yuen.  

Untuk mengatasi tantangan ini, Yuen dan rekannya, Angela Demetriadou, profesor nanofotonik teoretis di Universitas Birmingham, menggunakan trik matematika cerdas untuk menyederhanakan persamaan tersebut.  

Memperkenalkan bilangan imajiner — kelipatan dari akar kuadrat -1 — adalah alat yang ampuh dalam menangani persamaan kompleks. Dengan memanipulasi komponen imajiner, banyak istilah sulit dalam persamaan dapat saling membatalkan. Selama semua bilangan imajiner diubah kembali menjadi bilangan nyata sebelum mencapai solusi, perhitungan menjadi jauh lebih mudah diolah.  

"Kami mengubah kontinum frekuensi nyata menjadi satu set diskret frekuensi kompleks," jelas Yuen. "Dengan cara ini, kami menyederhanakan persamaan dari kontinum menjadi satu set diskret yang dapat kami olah dengan komputer."  

Tim menggunakan perhitungan baru ini untuk memodelkan sifat foton yang dipancarkan dari permukaan nanopartikel, menggambarkan interaksi dengan pemancar dan bagaimana foton bergerak menjauh dari sumbernya. Dari hasil ini, tim menghasilkan gambar pertama foton, partikel berbentuk lemon yang belum pernah terlihat sebelumnya dalam fisika.  

Yuen menekankan bentuk ini hanya berlaku untuk foton yang dihasilkan dalam kondisi tersebut. "Bentuknya sepenuhnya berubah sesuai dengan lingkungannya," katanya. "Inilah inti dari nanofotonik, bahwa dengan membentuk lingkungan, kita bisa benar-benar membentuk foton itu sendiri."  

Perhitungan tim ini memberikan wawasan mendasar tentang sifat partikel kuantum ini — pengetahuan yang menurut Yuen akan membuka jalur penelitian baru bagi fisikawan, kimiawan, dan ahli biologi.  

"Kami bisa memikirkan perangkat optoelektronik, fotokimia, pemanenan cahaya dan fotovoltaik, pemahaman fotosintesis, biosensor, dan komunikasi kuantum," kata Yuen. "Dan akan ada berbagai aplikasi yang belum diketahui. Dengan melakukan teori yang sangat mendasar seperti ini, Anda membuka kemungkinan baru di bidang lainnya."  (Space/Z-3)