Hadiah Nobel Fizik 2018: Revolusi Dalam Penyelidikan Fizik Laser

Oleh: Mohd Faudzi Umar
Pensyarah Fizik UPSI yang kini merupakan calon PhD di Institut Penyelidikan Matematik (INSPEM), Universiti Putra Malaysia

Sepanjang 55 tahun, Hadiah Nobel Fizik belum lagi diterima oleh saintis wanita dan kemelut ini telah dipecahkan oleh Donna Strickland dari Kanada bahkan menjadi tajuk perbualan dalam komuniti sains. Sepanjang tempoh Hadiah Nobel diwujudkankan pada kali pertama pada tahun 1901, hanya dua saintis wanita sahaja yang menerima Hadiah Nobel Fizik iaitu Marie Curie wanita pertama menerimanya pada tahun 1903 dengan penemuan bersama ke atas sinaran beradiaktif, kemudian diikuti dengan Marie Goeppert Mayer (1963) dengan penemuan struktur nuklear. Tahun 2018, sebahagian Hadiah Nobel Fizik telah dianugerahkan kepada Arthur Ashkin, 96 tahun dengan penemuan penyepit optik yang digunapakai dalam biologi, manakala sebahagian lagi dikongsi oleh Gerard Mourou, 74 dan Donna Strickland, 59, kerana berjaya menghasilkan denyutan optik ultra singkat berkeamatan tinggi menambah baik ketepatan dan kekuatan laser [1].

Gambar 1: Dari kiri: Donna Strickland, Gerard Mourou dan Arthur Ashkin.

Anugerah ini diumumkan di Akademi Sains Diraja Sweden pada 2hb Oktober [2], dengan tema “for groundbreaking inventions in the field of lased physics“, bersempena dua penemuan penting yang menjadi revolusi kepada bidang fizik laser. Dua penemuan tersebut ialah “penyepit optik” (optical tweezer) di mana laser boleh digunakan bagi mengendali zarah-zarah kecil, dirintiskan oleh Arthur Ashkin pada tahun 1970 [3], kemudian berkoloborasi bagi menstabilkan zarah sehingga tiga dimensi [4]. Lanjutan daripada penemuan tersebut, Donna Strickland yang juga pelajar PhD Gerard Mourou membangunkan “teknik amplifikasi denyut berciap” (chirped pulse amplification) iaitu menguatkan denyut menjadi berkeamatan tinggi dalam masa yang sangat singkat [5] digunapakai dalam teknologi lasik mata dan industri (penggerudian dan kimpalan).

Penemuan kali ini tidak boleh dipandang remeh, kerana kita sedia maklum laser diguna pakai di era kemodenan seperti dalam ketenteraan iaitu dalam teknologi peluru berpandu, perubatan; teknologi lasik dan rawatan kanser, dalam industri pula digunakan dalam kimpalan dan pengerudian, malah di pasaraya juga laser digunakan pada pembaca kod bar. Sementara dalam penyelidikan fizik, LIGO sebagai contoh, dengan penemuan gelombang graviti membawa kepada penganugerahan Hadiah Nobel Fizik 2017 [6]. Pada skala atomik, laser digunakan bagi mencapai suhu terendah iaitu memerangkap atom sehingga mencapai keadaan dikenali sebagai kondensasi Bose-Einstein dan teknologi penyejukan laser ini melayakkan kepada Hadiah Nobel Fizik 2001 [7].

LASER adalah singkatan kepada Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, secara literal dapat difahami bahawa laser ialah pancaran teransang (stimulated emission) kemudian ia dipergandakan. Asas laser berpunca daripada “sinaran terangsang” telah ditemui oleh Albert Einstein berpandukan Hukum Sinaran Planck [8], dan penggandaan sinaran terangsang itu secara optik pertama kali telah dihasilkan oleh Theodore H. Maiman di Makmal Penyelidikan Hughes pada tahun 1960. Asasnya, apabila sistem dikenakan tenaga sama ada dalam bentuk foton atau haba, sistem akan menjadi teruja melalui penyerapan tenaga (Rajah 2a), keadaan teruja itu tidak lama, akan kembali ke keadaan dasar dengan memancarkan foton spontan (Rajah 2b), tetapi apabila keadaan teruja lebih lama sedikit ia perlu diaruhkan oleh foton untuk menghasilkan bersama foton terangsang (Rajah 2c). Bagi menghasilkan foton teraruh secara berterusan maka cermin pun diletak dihujung disamping penggunaan medium yang sesuai (rujuk Rajah 3) dan inilah yang kita kenal sebagai laser.

Rajah 2: a) Keadaan pengujaan. b) Pancaran spontan terhasil apabila kembali ke keadaan dasar. c) Pancaran terangsang terhasil sistem berada dalam keadaan teruja diaruh oleh foton insiden.

Rajah 3: Tenaga elektrik dibekalkan supaya atom berkeadaan teruja, medium pengganda bersifat memperbesarkan cahaya, begitu juga cermin penuh, dan laser terhasil (foton terangsang) yang keluar dari separa cermin.

Laser mempunyai sifat yang agak berbeda dengan cahaya biasa iaitu; berkoheren, monokromatik dan berkolimasi. Oleh itu pengubahsuai dengan beberapa cara dapat melaraskan sifat laser tersebut untuk kegunaan yang lebih baik. Antaranya ialah dengan mengunakan bahan berbeza, di mana peralihan tenaga menghasilkan laser menghasilkan pelbagai panjang gelombang. Di samping itu penambahbaik reka bentuk pengkolimatan juga boleh meningkatkan keamatan laser tersebut pada jarak yang lebih jauh, iaitu menambah bilangan keamatan foton. Penggunaan penguat (amplifier) menghasilkan laser yang berkuasa. Justeru itu, apakah sumbangan/penemuan Ashkin, Mourou, dan Strickland ke atas pembangunan teknologi laser?

Apa yang dilakukan Ashkin terlihat seperti dalam filem-filem fiksyen sains iaitu mengawal objek hanya dengan cahaya. Tak hairanlah, kenapa separuh daripada Hadiah Nobel diberikan kepada beliau. Konsep asas boleh dirujuk dalam Rajah 4, iaitu zarah bersfera yang agak lutsinar bergerak disinari cahaya laser, di mana tekanan sinaran yang menolak sfera tersebut (Rajah 4a). Kemudian kesan tidak terjangka berlaku iaitu daya gradien menolak sfera tersebut ke tengah-tengah alur laser meskipun keamatannya paling tinggi. Hal ini berlaku kerana keamatan mengurangi kesan sfera tersebut tertolak keluar, oleh itu perjumlahan daya penolakan secara kolektif membuatkan sfera tersebut ke tengah-tengah (Rajah 4b). Daripada fenomena fizik tersebut, Ashkin membentuk alur laser bertumpu ke arah atas, oleh itu sfera tersebut seakan-akan terapung (Rajah 4c). Penggunaan kanta seterusnya membentuk titik fokus digunakan seolah-olah memerangkap/memegun sfera tersebut (Rajah 4d). Aplikasi daripada penemuan ini, ia boleh digunakan untuk memerangkap objek mikroskopi seperti bakteria dan sel hidup dan teknologi ini dinamakan penyepit optik.

Keupayaan menghasilkan laser berkuasa tinggi dalam masa yang singkat merupakan masalah terbesar dalam fizik laser, kerana denyut laser berkuasa tinggi tersebut boleh merosakan bahan dalam sistem membesarkan (amplify) cahaya. Pada tahun 1985, Donna Strickland dan Gerard Mourou mencadangkan empat prinsip asas [5], ringkas secara praktisnya:

1. Penghasilan denyut laser.

2. Fasa regangan denyut, bagi mengurangkan kuasa dan ia tidak bersifat memusnahkan. Regangan dihasilkan dengan sepasang jeriji yang disusunkan supaya laser berfrekuensi rendah melalui jalan yang lebih singkat.

3. Denyut yang rendah itu sesuai diperbesarkan dalam fasa amplifikasi.

4. Seterusnya denyut yang diperbesarkan itu dimampatkan dengan sistem berbalik daripada fasa regangan (Fasa 2.) iaitu fasa pemampatan, di mana denyut terhasil berkuasa tinggi dengan keamatan tinggi.

Kaedah ini dikenali sebagai “amplifikasi denyut berciap” diilustrasikan dalam Rajah 5 di mana ia merupakan hasil kajian PhD Strictland dibawah penyeliaan Mourou.

Rajah 4: Konsep asas sebalik penyepit optik.

Rajah 5: Empat prinsip asas dalam teknik amplifikasi denyut berciap

Jika diteliti lebih mendalam, dua penemuan ini dilihat sangat penting kepada peradaban manusia, selayaknya Arthur Ashkin, Gérard Morou, dan Donna Strickland dianugerahkan hadiah berprestij ini. Dua hal yang menarik perhatian penulis tentang penerima Hadiah Nobel ini, iaitu penerima kali ini ialah wanita di mana lebih 50 tahun tiada lagi penerima Hadiah Nobel Fizik, manakala Ashkin yang berusia 96 tahun dan pesara saintis, beliau masih lagi meneruskan penyelidikan sehinggakan tidak berkesempatan untuk ditemuramah oleh wartawan tentang penganugerahan ini.

Bibliografi

[1] The Nobel Prize in Physics 2018

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/summary/

[2] Announcement of the Nobel Prize in Physics 2018,

https://www.youtube.com/watch?v=VaLDsBS5jVE

[3] Ashkin, A. (1970). Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 24 (4): 156–159.

[4] Ashkin A., Dziedzic J. M., Bjorkholm J. E., Chu S. (1986). Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt. Lett. 11 (5): 288–290. http://www.mbl.edu/physiology/files/2014/06/Ashkin-Optical-trapping-Optic-Letters-1986.pdf

[5] Strickland, D., Mourou, G. (1985). Compression of amplified chirped optical pulses. Optics Communications. 56 (3): 219–221. https://pdfs.semanticscholar.org/6318/7a2d68b6d94887cec2ddcbe4fc0b88bda77b.pdf

[6] The Nobel Prize in Physics 2017

https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/press-40.pdf

[7] The Nobel Prize in Physics 2001

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2001/summary/

[8] Einstein, A (1917). “Zur Quantentheorie der Strahlung”. Physikalische Zeitschrift. 18: 121–128.