10 November 2016

Nobel Fisika 2016: FENOMENA ASING DI JAGAD MATERI DATAR

Penghargaan Nobel dalam bidang fisika pada tahun 2016 ini diberikan kepada tiga fisikawan: David J. Thouless dari University of Washington, Seattle; F. Duncan M. Haldane dari Princeton University, serta J. Michael Kosterlitz, dari Brown University Providence. Penghargaan nobel diberikan atas penelitian mereka tentang sebuah dunia yang asing, yaitu dunia dimana materi muncul dengan keadaan yang aneh. Penemuan mereka telah membawa terobosan baru dalam pemahaman teoritis tentang misteri materi dan menghasilkan perspektif baru tentang pengembangan material inovatif.

Apa yang telah dilakukan oleh para ilmuwan ini sehingga diberi penghargaan paling bergengsi dalam dunia akademik ini?

David Thouless, Duncan Haldane, dan Michael Kosterlitz memanfaatkan metode matematika lanjut, dengan menggunakan konsep topologi, dalam menjelaskan fenomena aneh pada fase (keadaan) yang tidak lazim dari materi seperti superkonduktor, superfluida, atau pun lapisan magnetik tipis. Kosterlitz dan Thouless mempelajari fenomena yang muncul dalam sebuah dunia yang datar –yaitu pada bagian permukaan atau bagian paling dalam dari lapisan tipis yang dapat dianggap hanya memiliki dua dimensi. Sedangkan Haldane mempelajari materi yang berbentuk benang yang sangat tipis, sedemikian tipisnya sehingga dapat dianggap sebagai benda satu dimensi.

Hukum fisika dalam dunia datar seperti yang mereka teliti, sangat berbeda dengan apa yang kita sadari dari dunia di sekitar kita, yaitu dunia berdimensi ruang-3. Meskipun sangat tipis, materi yang terdistribusi dalam dunia itu tetap mengandung jutaan atom, dan meskipun tiap-tiap perilaku atom dapat dijelaskan dengan menggunakan fisika kuantum, atom-atom dalam dunia itu rupanya menunjukkan karakteristik yang sangat berbeda jika mereka bergabung. Sedikit demi sedikit, fenomena baru yang muncul akibat bergabungnya atom-atom ini ditemukan dalam jagat dunia datar tersebut.

Penggunaan konsep topologi dalam fisika yang telah dilakukan oleh ketiga pemenang nobel fisika tahun 2016 ini sangat berperan dalam temuan mereka. Topologi adalah salah satu cabang dari matematika yang menggambarkan karakteristik atau properti yang berubah secara bertahap. Dengan topologi modern sebagai alat, para nobelis fisika ini memberikan hasil yang mengejutkan, yang membuka bidang penelitian baru dan akan membawa pada lahirnya konsep-konsep baru yang penting dalam beberapa bidang fisika.

Fisika Kuantum Teramati pada Temperatur Rendah


Pada skala yang sangat renik, semua materi mengikuti hukum-hukum fisika kuantum. Gas, cairan, dan padatan adalah fase materi yang sudah kita kenali. Pada fase-fase materi ini, gejala kuantum tidak tampak oleh kita karena tertutupi oleh gerakan-gerakan atomik material yang bersifat acak. Tetapi pada kondisi yang sangat dingin, mendekati nilai nol mutlak, (-273 derajat selsius) materi akan membentuk fase baru yang asing dan berperilaku dengan cara yang tak terduga. Dalam kondisi ini, fenomena fisika kuantum, yang berlaku pada dunia sangat renik, yang awalnya tidak tampak tiba-tiba dapat terlihat.
Fase materi yang kita ketahui adalah gas, cair, dan padat.


Fase-fase materi yang sudah kita kenali, seperti padat, cair, dan gas, juga akan mengalami transisi dari satu fase ke fase lain jika terjadi perubahan temperatur. Sebagai contoh, transisi fase akan terjadi jika es, yang terdiri atas kristal-kristal yang tersusun secara teratur, dipanaskan dan mencair menjadi air, yang merupakan sebuah fase yang keteraturannya lebih rendah dibandingkan dengan es. Ketika kita melongok ke dalam dunia datar materi, dengan pengetahuan kita yang masih terbatas tentang dunia tersebut, kita akan menemukan adanya fase lain materi yang belum sepenuhnya kita jelajahi.

Banyak hal-hal yang aneh yang dapat terjadi pada kondisi temperatur rendah. Sebagai contoh, hambatan yang selalu dialami oleh semua partikel yang bergerak pada kondisi temperatur yang rendah akan tiba-tiba hilang. Misalnya pada apa yang dialami oleh aliran arus listrik yang tidak merasakan hambatan dalam bahan superkonduktor, atau saat sebuah vorteks (pusaran) dalam superfluida dapat berputar terus menerus tanpa mengalami penurunan laju.

Orang pertama yang mempelajari secara sistematis tentang superfluida ini adalah seorang Rusia bernama Pyotr Kapitsa pada tahun 1930. Kapitsa mendinginkan helium-4, yang dapat ditemukan di udara, pada temperatur -271 derajat selsius dan menemukan bahwa helium-4 ini bergerak ke atas di sepanjang sisi wadahnya. Dengan kata lain, helium-4 ini berperilaku seolah-olah superfluida yang viskositasnya tiba-tiba hilang. Atas fenomena aneh ini, Kapitsa kemudian dianugerahi nobel fisika pada tahun 1978. Semenjak itu beberapa jenis superfluida telah berhasil dibuat dalam laboratorium. Superfluida helium, lapisan tipis atau superkonduktor, lapisan tipis material magnetik dan benang nano konduktif elektris merupakan beberapa dari fase material baru yang sekarang ini sedang diteliti secara intensif.

Solusi oleh Pasangan Vorteks


Ads by Google

Para peneliti telah lama mempercayai bahwa fluktuasi termal akan menghancurkan semua tatanan dalam materi menjadi bentuk yang datar, dunia dimensi dua, bahkan pada temperatur nol mutlak. Jika tidak terdapat fase yang teratur, tidak akan ada transisi fase. Tetapi di awal tahun 1970-an, David Thouless dan Michael Kosterlitz yang bertemu di Birmingham, Inggris Raya, sama-sama tertantang untuk menemukan teori seperti yang yang telah berkembang sekarang. Mereka mempelajari dan menganalisis masalah transisi fase dalam dunia datar ini. Kolaborasi keduanya akhirnya menghasilkan sebuah teori yang memberikan pemahaman yang benar-benar baru tentang transisi fase. Bahkan pemahaman ini dianggap sebagai satu dari penemuan paling penting pada abad ke dua puluh ini dalam bidang fisika zat padat. Teori ini disebut transisi KT ( transisi Kosterlitz-Thouless) atau transisi BKT (huruf B untuk Vadim Berezinskii), mendiang fisikawan teoritis dari Moskow yang mengemukakan ide yang sama.

Transisi fase topologis bukanlah transisi fase biasa, seperti pada transisi fase antara es ke air. Dalam transisi fase topologis, yang berperan penting dalam proses ini adalah adanya vorteks (pusaran) kecil pada material datar. Pada temperatur yang rendah vorteks ini terjadi secara berpasangan. Saat temperatur dinaikkan, terjadilah transisi fase, yaitu vorteks-vorteks tersebut tiba-tiba bergerak saling menjauh satu sama lain dan mengarungi material secara acak.


Hal yang menakjubkan dari teori ini adalah teori ini rupanya dapat digunakan untuk jenis material yang berbeda-beda dalam dimensi yang rendah, dengan kata lain, transisi KT bersifat universal. Teori ini menjadi alat yang bermanfaat, tidak hanya dapat diterapkan dalam dunia materi zat padat, tetapi juga dalam bidang fisika lainnya, seperti fisika atomik atau mekanika statistik. Teori di balik transisi KT juga telah dikembangkan baik oleh pencetusnya maupun ahli fisika lainnya, serta juga telah terkonfirmasi secara eksperimen.

Lipatan Kuantum yang Misterius


Perkembangan eksperimental akhirnya menghasilkan sejumlah fase materi baru yang memerlukan penjelasan. Pada tahun 1980-an, David Thouless dan Duncan Haldane menyajikan landasan kerja teoritis baru yang menantang teori sebelumnya, yang salah satunya adalah teori mekanika kuantum untuk menentukan material apa yang dapat menghantarkan listrik. Teori ini awalnya dikembangkan pada tahun 1930-an, dan setelah beberapa dekade kemudian, bidang ini dianggap telah dipahami dengan baik.

Namun, tiba-tiba sebuah kejutan terjadi pada tahun 1983. David Thouless membuktikan bahwa gambaran tentang fase-fase materi sebelumnya belumlah lengkap, dan pada temperatur yang rendah dan medan magnetik yang kuat, dibutuhkan sebuah jenis teori yang baru dimana dalam teori tersebut konsep topologi adalah sesuatu yang penting. Pada waktu yang sama, Duncan Haldane juga sampai pada kesimpulan yang serupa, kesimpulan yang ttidak diharapkan, saat menganalisis rantai atomik magnetik. Hasil kerja mereka telah menjadi instrumen dalam rentetan pengembangan yang dramatis teori fase baru materi.

Fenomena misterius yang digambarkan oleh David Thouless secara teoritis, dengan menggunakan topologi, adalah efek Hall kuantum. Efek ini ditemukan oleh fisikawan Jerman Klaus von Klitzing pada tahun 1980, dan dianugerahi penghargaan nobel fisika pada tahun 1985. Thouless mempelajari lapisan konduksi tipis yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor, dimana elektron didinginkan sampai beberapa derajat di atas nol mutlak dan diberi medan magnetik yang kuat.

Dalam fisika, bukanlah hal aneh jika terjadi sesuatu secara drastis saat temperatur diturunkan; misalnya, dalam kondisi temperatur yang rendah banyak material akan menjadi bersifat magnetik. Hal ini terjadi karena semua magnet-magnet atom kecil dalam material tiba-tiba sama-sama menunjuk ke arah yang sama, sehingga medan magnetiknya menguat, dan juga dapat diukur.

Namun demikian, efek Hall kuantum lebih sulit untuk dipahami; konduktansi listrik pada lapisan kelihatannya hanya dapat dianggap memiliki nilai tertentu, yang sangat presisi. Hal ini sangat tidak lazim dalam fisika. Hasil pengukuran akan memberikan hasil yang tepat sama meskipun temperatur, medan magnetik atau jumlah ketidakmunian dalam semikonduktor bervariasi. Apabila medan magnetik sedikit berubah, konduktansi lapisan juga berubah, tetapi hanya dalam satu tahap; mengurangi kekuatan medan magnetik menyebabkan konduktansi listrik pertama kali akan dua kali lebih besar, kemudian menjadi tiga kali, empat kali, dan seterusnya. Kelipatan bulat ini tidak dapat dijelaskan oleh teori fisika yang dikenal pada saat itu, tetapi David Thouless menemukan solusi terhadap hal ini dengan menggunakan topologi.

Topologi Jawabannya


Topologi menggambarkan sifat-sifat yang tetap utuh ketika sebuah benda diregangkan, dipelintir, atau dideformasi, tetapi akan berubah jika dipisahkan. Secara topologis, sebuah bola dan sebuah mangkuk memiliki kategori yang sama, karena segumpal tanah lempung yang berbentuk bola dapat diubah menjadi mangkuk. Tetapi sebuah roti donat yang memiliki lubang di tengahnya dan sebuah cangkir kopi yang memiliki lubang di pegangannya memiliki kategori yang lain; keduanya juga dapat dimodel ulang untuk dapat membentuk roti atau cangkir. Objek topologis dengan demikian dapat mengandung satu lubang, dua lubang, tiga lubang, atau empat lubang, dan seterusnya, tetapi angka-angka ini harus dalam bentuk bilangan bulat. Hal ini kemudian bermanfaat dalam menggambarkan konduktansi listrik yang ditemukan dalam efek Hall kuantum, yang hanya berubah satu tahapan yang merupakan kelipatan dari bilangan bulat.



Pada efek Hall kuantum, elektron relatif bebas berpindah dalam lapisan antara semikonduktor dan membentuk sesuatu yang disebut cairan kuantum topologis. Dengan cara yang sama, sebuah karakteristik baru sering muncul jika banyak partikel-partikel yang bergabung, elektron-elektron dalam cairan kuantum topologis juga menunjukkan karakteristik yang menarik. Seperti halnya kita tidak dapat mengetahui apakah terdapat sebuah lubang di sebuah cangkir kopi hanya dengan melihat pada sebagian kecil cangkir tersebut, adalah tidak mungkin juga menentukan apakah elektron telah membentuk sebuah cairan kuantum topologis jika kita hanya mengamati apa yang terjadi pada sebagian dari elektron tersebut. Namun demikian, konduktansi menggambarkan gerak kolektif elektron dan, karena topologi, konduktansi ini memiliki nilai yang terkuantitasi. Karakteristik lain dari cairan kuantum topologis adalah bahwa batas cairan ini memiliki sifat yang tidak lazim. Hal ini telah diprediksi oleh teori dan telah terkonfirmasi secara eksperimen.

Momen penting lain terjadi pada tahun 1988, tatkala Duncan Haldane menemukan bahwa cairan kuantum topologis, seperti halnya pada efek Hall kuantum, dapat terbentuk dalam lapisan semikonduktor tipis walaupun tidak terdapat medan magnetik. Haldane mengatakan bahwa dia tidak pernah memimpikan model teoritisnya akan terbukti secara eksperimental tetapi, sekitar tahun 2014, model ini tervalidasi dalam sebuah eksperimen yang menggunakan atom yang didinginkan hingga temperaturnya hampir mencapai nol mutlak.

Topologi Material baru dalam pipa


Dari hasil pekerjaan yang dilakukannya, sejak tahun 1982, Duncan Haldane telah memberikan sebuah prediksi yang mengejutkan bahkan oleh fisikawan yang ahli di bidangnya sekalipun. Dalam studi teoritis tentang rantai atom magnetik yang terjadi dalam beberapa material, Haldane menemukan bahwa rantai-rantai tersebut memiliki karakteristik yang berbeda secara mendasar bergantung pada karakter magnet atomiknya. Dalam fisika kuantum terdapat dua jenis magnet atomik, yaitu magnetik atomik ganjil dan genap. Haldane mendemonstrasikan bahwa sebuah rantai yang terbentuk dari magnet genap akan bersifat topologis, sedangkan rantai magnet ganjil tidak. Seperti halnya cairan kuantum topologis, tidak mungkin untuk menentukan apakah sebuah rantai atomik bersifat topologis atau tidak hanya dengan menganalisis sebagian kecil dari rantai atomik tersebut. Dan, seperti pada cairan kuantum, karakteristik topologis tersebut mengungkap dirinya sendiri di pinggir-pinggir rantai atomik. Dalam hal ini, pinggir-pinggir tersebut adalah di ujung-ujung rantai karena karakteristik kuantum diketahui sebagai spin setengah di ujung-ujung sebuah rantai topologis.

Pada awalnya tidak seorang pun yang memercayai penalaran Haldane tentang rantai atomik ini; para peneliti sangat yakin bahwa mereka telah memahaminya. Tetapi kemudian Haldane menemukan contoh pertama dari jenis topologi material yang baru, yang sekarang menjadi bidang penelitian yang hidup dalam fisika zat padat.

Baik cairan Hall kuantum maupun rantai atomik magnetik merupakan bagian dari kelompok baru keadaan topologis ini. Belakangan, para peneliti menemukan beberapa keadaan topologis materi lainnya yang tidak terduga, bukan hanya dalam bentuk rantai, atau lapisan tipis, tetapi juga dalam material tiga dimensi yang biasa.

Isolator topologis, superkonduktor topologis, dan logam topologis sekarang ini sedang hangat dibincangkan. Kita menaruh harapan bahwa material topologis ini akan bermanfaat untuk menghasilkan generasi baru elektronika dan superkonduktor, atau pada komputer kuantum di masa depan.

Selamat kepada penerima anugerah Nobel fisika 2016!

sumber: Laman the Royal Swedish Academy of Sciences, http://kva.se



07 Oktober 2015

Nobel Fisika 2015: Neutrino yang Bermetamorfosis

Sedikit demi sedikit teka teki tentang si partikel hantu “neutrino” mulai terungkap dan membuka fakta baru dalam fisika partikel. Tahun 2015 ini, nobel fisika dianugerahkan kepada seorang fisikawan Jepang, Takaaki Kajita dan seorang fisikawan dari Kanada, Arthur B. McDonald, keduanya adalah ilmuwan kunci di dua kelompok penelitian besar, Super-Kamiokande di Jepang dan Sudbury Neutrino Observatory, yang telah menemukan bahwa dalam perjalanannya menuju bumi, neutrino ternyata mengalami metamorfosis (berubah identitas menjadi neutrino bentuk lain).

tiga jenis neutrino yang dapat saling bermetamorfosis satu sama lain
Perburuan neutrino telah dimulai jauh di kedalaman bumi di tengah-tengah fasilitas berupa ribuan mata buatan yang menunggu saat yang tepat untuk menyingkap rahasia tentang neutrino. Pada tahun 1998, Takaaki Kajita menyampaikan temuan bahwa neutrino nampaknya mengalami metamorfosa. Neutrino bertukar identitas ketika masih dalam perjalanan menuju detektor Super-Kamiokande di Jepang. Neutrino yang tertangkap di detektor tersebut tercipta melalui reaksi antara sinar-sinar kosmik dan atmosfer bumi.

Di sisi lain belahan bumi, para ilmuwan di Sudbury Neutrino Observatory di Kanada, SNO, sedang meneliti neutrino yang berasal dari matahari. Pada tahun 2001, kelompok penelitian yang dipimpin oleh Arthur B. McDonald membuktikan persis seperti yang ditemukan di Super-Kamiokande, bahwa neutrino mengalami perubahan identitas.

Perubahan neutrino ini merupakan sebuah gejala yang baru teramati, dan disebut dengan osilasi neutrino. Kesimpulan yang sejauh ini diperoleh dari berbagai eksperimen mengenai gejala ini adalah bahwa neutrino, yang selama sekian waktu dianggap tidak bermassa, haruslah memiliki massa untuk memungkinkan terjadinya metamorfosa tersebut. Ini merupakan salah satu “batu fondasi pertama” bagi fisika partikel untuk dapat memahami alam semesta ini.

Si pahlawan yang jumlahnya melimpah


Kita hidup di dunia neutrino. Triliunan neutrino mengalir melewati tubuh-tubuh kita setiap detiknya. Hanya saja kita tidak dapat menginderanya, tak dapat melihat ataupun merasakannya. Neutrino berkelebat dengan cepat dalam ruang dengan kecepatan yang hampir sama dengan kelajuan cahaya sehingga sulit berinteraksi dengan materi.

Dari mana mereka berasal?


Beberapa di antaranya tercipta pada saat peristiwa Big Bang, sebagian tercipta secara teratur melalui pelbagai proses dalam ruang di bumi –dari peristiwa ledakan supernova, kematian bintang-bintang massif, hingga pada reaksi penumbuhan daya inti dan yang terjadi secara alami melalui peluruhan radioaktif. Bahkan bagian dalam tubuh kita secara rata-rata menghasilkan 5000 neutrino setiap detik jika sebuah isotop potasium meluruh. Umumnya neutrino-neutrino yang mencapai bumi merupakan neutrino yang berasal dari reaksi inti di bagian dalam matahari. Menempati urutan kedua setelah partikel cahaya, foton, neutrino merupakan partikel yang paling melimpah jumlahnya di jagat raya ini.

Ads by Google
Selama ini, kehadiran neutrino ini bahkan tidak pasti. Keberadaan partikel ini pertama kali dikemukakan oleh Wolfgang Pauli, sebagai upaya di ambang keputusasaannya untuk menjelaskan tentang kekekalan energi dalam peluruhan beta, salah satu jenis peluruhan radioaktif dalam inti atomik. Pada bulan Desember 1930, Pauli menulis sebuah surat ke sejawatnya yang disebutnya sebagai Tuan dan Nyonya Radioaktif. Dalam surat itu, Pauli menyarankan bahwa sejumlah energi dalam peluruhan radioaktif dibawa oleh sebuah partikel yang sangat ringan, berinteraksi sangat lemah, dan secara listrik bermuatan netral. Pauli sendiri sulit memercayai keberadaan partikel ini. Bahkan, Pauli mengatakan, “Saya telah melakukan sesuatu yang sangat buruk, saya telah mempostulatkan sebuah partikel yang tidak dapat dideteksi”.

Beberapa waktu kemudian, Enrico Fermi, berhasil mendemonstrasikan sebuah teori yang elegan yang mencakup sebuah partikel netral, sangat ringan ala Pauli. Partikel itu kemudian disebut neutrino. Tak seorang pun yang dapat memprediksi bahwa partikel kecil ini akan merevolusi baik fisika partikel maupun kosmologi.

Dibutuhkan waktu sekitar seperempat abad untuk dapat menemukan neutrino. Kesempatan itu datang di sekitar tahun 1950-an, ketika neutrino mulai mengalir dalam jumlah yang sangat banyak dari penumbuhan daya inti yang dibangun belakangan. Pada bulan Juli 1956, dua orang fisikawan Amerika, Frederick Reines dan Clyde Cowan mengirimkan sebuah telegram kepada Wolfgang Pauli yang mengabarkan bahwa neutrino-neutrino itu telah meninggalkan jejak di detektor mereka. Temuan tersebut menunjukkan bahwa hantu neutrino adalah sesuatu yang benar-benar nyata.

Trio yang Aneh


Nobel fisika tahun 2015 ini dianugerahkan terhadap penemuan yang memecahkan sebuah teka-teki tentang neutrino itu sendiri selama ini. Sejak tahun 1960an, secara teoritis fisikawan telah menghitung jumlah neutrino yang tercipta dalam reaksi inti pada proses yang menghasilkan cahaya matahari. Tetapi ketika pengukuran dilakukan di bumi, ternyata lebih dari 2/3 jumlah hasil hitungan tersebut menghilang.

Kemana neutrino-neutrino itu?


Apakah mungkin ada yang salah dengan perhitungan teoritis tersebut? Salah satu jawaban terhadap teka teki neutrino solar ini adalah neutrino mengalami pertukaran identitas. Menurut Model Standar fisika partikel ada tiga jenis neutrino, trio neutrino. Mereka adalah neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau. Tiap-tiap neutrino ini memiliki pasangan muatan masing-masing, elektron, dan dua muatan yang relatif lebih berat dan berusia singkat, yaitu muon dan tau.

Matahari hanya menghasilkan neutrino elektron. Tetapi jika mereka dapat bertransformasi menjadi neutrino muon atau neutrino tau dalam perjalanan menuju bumi, maka hal itu akan menyebabkan terjadinya kehilangan neutrino elektron dapat dipahami.

Perburuan neutrino bawah tanah


Spekulasi tentang perubahan identitas neutrino tetap menjadi spekulasi sampai sejumlah fasilitas yang lebih canggih dan lebih besar dilibatkan dalam perburuan neutrino. Siang malam neutrino diburu dengan menggunakan detektor dalam jumlah yang banyak yang ditempatkan jauh di kedalaman bumi, dengan maksud menghindari adanya derau dari radiasi kosmik yang berasal dari ruang serta dari peluruhan radioaktif spontan di sekitar. Ya, memang adalah hal yang sulit untuk memisahkan sejumlah sinyal neutrino yang sebenarnya dengan triliunan sinyal-sinyal palsu yang bukan berasal dari neutrino.

Tahun 1996, Super-Kamiokande dioperasikan dalam sebuah tambang seng 250 kilometer Barat Daya Tokyo, sedangkan Sudbury Neutrino Observatory, yang dibangun dalam sebuah tambang nikel di Ontario, mulai beroperasi pada tahun 1999. Secara bersama-sama, kedua laboratorium ini dapat menyingkap perilaku neutrino yang seperti bunglon, berubah-ubah wujud, penemuan yang diberi anugerah nobel pada tahun 2015 ini.

skema laboratorium neutrino Super-Kamiokande Jepang


Super-Kamiokande merupakan detektor raksasa yang dibangun 1000 meter di bawah permukaan bumi. Detektor ini terdiri atas sebuah tangki dengan tinggi dan lebar sebesar 40 m yang kemudian di isi dengan 50.000 ton air. Air ini sangat murni sehingga berkas cahaya dapat melewatinya sejauh 70 meter sebelum intensitasnya menjadi setengah dari nilai awalnya. Jika dibandingkan dengan air yang berada di kolam renang, cahaya hanya dapat menempuh beberapa meter sebelum intensitasnya tersisa separuhnya. Lebih dari 11000 detektor cahaya ditempatkan di bagian atas, samping, dan bagian bawah tangki dengan tugas untuk menemukan, memperkuat dan mengukur kelipan cahaya yang sangat lemah dalam air berkemurnian sangat tinggi.

Hampir semua neutrino masuk dan lewat di dalam tangki, tetapi kadang-kadang, sebuah neutrino bertumbukan dengan inti atomik atau sebuah elektron dalam air. Dalam peristiwa tumbukan ini partikel-partikel bermuatan terbentuk –muon terbentuk dari neutrino muon, dan elektron dari neutrino elektron. Di sekitar partikel-partikel bermuatan tersebut, kerlipan lemah sinar biru terbentuk. Kerlip cahaya ini disebut sinar Cherenkov, yang timbul jika sebuah partikel bergerak melebihi kelajuan cahaya. Hal ini tidak bertentangan dengan teori Relativitas Einstein yang mengatakan bahwa tidak ada yang bergerak lebih cepat dari cahaya dalam ruang vakum. Dalam air, cahaya diperlambat hingga nilainya 75% dari kelajuan maksimumnya, dan dapat “dikalahkan” oleh partikel bermuatan. Bentuk dan intensitas cahaya Cherenkov akan mengungkap jenis neutrino apa yang menjadi penyebabnya, dan dari mana asalnya.

Sebuah penyelesaian teka-teki


Selama dua tahun pertama operasinya, Super-Kamiokande memproses sekitar 5000 sinyal neutrino. Jumlah ini sangat banyak dibandingkan dengan eksperimen sebelumnya, tetapi masih sedikit dibandingkan dengan apa yang diharapkan berdasarkan penaksiran fisikawan mengenai jumlah neutrino yang dihasilkan oleh radiasi kosmik. Partikel radiasi kosmik berasal dari segala arah dalam ruang dan pada saat partikel-partikel berkelajuan penuh tersebut bertumbukan dengan dengan molekul-molekul pada atmosfer bumi, guyuran neutrino pun tercipta.

Super-Kamiokande menangkap neutrino muon yang datang dari atmosfer di atasnya, termasuk yang menumbuk detektor dari arah bawah setelah melintasi bola bumi secara penuh. Seharusnya terdapat jumlah neutrino yang sama dari kedua arah tersebut; bumi tidak mengandung bahan-bahan yang dapat merintangi partikel-partikel tersebut. Namun demikian, neutrino muon yang langsung bergerak ke bawah menumbuk detektor Super-Kamiokande jumlahnya jauh lebih banyak dibandingkan dengan neutrino muon yang bergerak melalui bola bumi.

Hal ini mengindikasikan bahwa neutrino muon yang bergerak lebih lama memiliki waktu untuk melakukan pertukaran identitas, yang tidak tidak terjadi pada neutrino muon yang bergerak langsung ke bawah dari arah atas dan hanya menempuh beberapa puluh kilometer saja. Jika jumlah neutrino elektron yang berasal dari arah-arah yang berlawanan sesuai dengan yang diharapkan, neutrino muon pasti telah berubah menjadi neutrino jenis ketiga yaitu neutrino tau. Namun demikian, hal ini tidak dapat terdeteksi di detektor Super-Kamiokande.

Keping teka-teki yang menentukan ini ada di Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ketika kelompok ilmuwan di tempat tersebut melakukan pengukuran neutrino yang berasal dari matahari dan terdeteksi di bumi. Proses inti di matahari hanya menghasilkan neutrino elektron. Dua kilometer di bawah permukaan bumi neutrino elektron yang melimpah terdeteksi oleh 9500 detektor cahaya dalam sebuah tangki yang berisi 1000 ton air berat. Air berat ini berbeda dengan air yang biasa karena pada tiap-tiap atom hidrogen dalam molekul air ini memiliki sebuah neutron tambahan dalam intinya, sehingga membentuk isotop hidrogen deuterium.

Inti deuterium memberikan peluang tambahan kepada neutrino untuk bertumbukan dengan detektor. Pada beberapa reaksi hanya jumlah neutrino elektron yang dapat ditentukan, sementara yang lainnya memberi jalan kepada ilmuwan untuk mengukur ketiga jenis neutrino tersebut secara bersamaan, tanpa membedakan jenis-jenis neutrino tersebut satu sama lain.

Karena hanya neutrino elektron dari matahari yang dianggap sampai di bumi, maka kedua cara pengukuran neutrino tersebut di atas seharusnya memberikan hasil yang sama. Dengan demikian, jika neutrino elektron yang terdeteksi lebih sedikit jumlahnya dibandingkan dengan jumlah ketiga jenis neutrino, hal ini mengindikasikan bahwa sesuatu telah terjadi terhadap neutrino elektron ketika mereka dalam perjalanan panjang 150 juta kilometer dari matahari.

Dari 60 miliar neutrino per sentimeter persegi per sekon yang mencapai bumi dalam sekali perjalanan dari matahari ke bumi, Sudbury Neutrino Observatory hanya menangkap tiga neutrino per hari selama dua tahun pertama operasi observatorium tersebut. Jumlah ini bersesuaian dengan sepertiga jumlah neutrino elektron yang diharapkan dapat tertangkap oleh detektor. Dua per tiganya hilang! Namun demikian, jika kita menjumlahkan banyaknya ketiga jenis neutrino tersebut, hasil yang diperoleh akan sesuai dengan jumlah neutrino yang diharapkan. Kesimpulan yang mungkin dari hasil ini adalah bahwa neutrino elektron pastilah telah berubah identitas selama dalam perjalanannya.

Metamorfosis dalam dunia kuantum


Kedua eksperimen tersebut telah membenarkan kecurigaan bahwa neutrino dapat berubah identitas menjadi neutrino lainnya. Penemuan ini telah memacu eksperimen baru lainnya dan memaksa fisikawan partikel untuk berpikir dengan cara berpikir yang baru.

Secara bersama-sama, kedua eksperimen ini telah memberikan sebuah kesimpulan mendasar: metamorfosa neutrino menyaratkan bahwa neutrino tersebut harus memiliki massa. Jika tidak demikian, maka metamorfosa tidak mungkin terjadi.

Lalu, bagaimana metamorfosa ini bisa terjadi?


Fisika kuantum dibutuhkan untuk menjelaskan hal ini. Dalam dunia kuantum, partikel dan gelombang adalah aspek berbeda dari keadaan fisis yang sama. Sebuah partikel dengan energi tertentu digambarkan dengan sebuah gelombang yang sesuai dengan frekuensi tertentu. Dalam fisika kuantum, neutrino elektron, neutrino muon, dan neutrino tau dinyatakan oleh gelombang-gelombang yang bersuperposisi yang bersesuaian dengan keadaan neutrino dengan massa yang berbeda-beda.

Ketika gelombang-gelombang tersebut sefase, maka tidak mungkin untuk membedakan keadaan neutrino yang berbeda satu sama lain. Tetapi manakala neutrino telah bergerak dalam ruang, maka gelombangnya akan menjadi tidak sefase. Sepanjang perjalanannya gelombang-gelombang itu bersuperposisi dengan berbagai cara. Superposisi pada sebuah tempat tertentu akan menghasilkan probabilitas jenis neutrino apa yang paling mungkin untuk ditemukan di tempat tersebut. Probabilitas ini berubah-ubah dari satu lokasi ke lokasi lain, mereka berosilasi, dan neutrino tampak dalam berbagai identitasnya.

Perilaku yang ganjil ini adalah akibat dari perbedaan massa neutrino. Eksperimen mengindikasikan bahwa perbedaan massa ini sangat kecil. Massa neutrino memang diperkirakan sangat kecil, meskipun belum pernah diukur secara langsung. Namun demikian, karena neutrino ada dalam jumlah yang luar biasa melimpah di semesta ini, jumlah dari massa-massa kecil ini menjadi cukup signifikan. Berat gabungan neutrino-neutrino ini secara kasar diperkirakan sama dengan massa semua bintang yang tampak di alam semesta ini.

Gerbang ke fisika baru


Penemuan massa neutrino adalah semacam “peletakan batu pertama” untuk membangun fisika partikel. Model Standar bagian paling dalam dari materi telah berhasil dengan baik dan selama dua puluh tahun telah menghadapi semua tantangan-tantangan eksperimental. Tetapi model standar ternyata mensyaratkan bahwa neutrino tidak bermassa. Dengan demikian, eksperimen peraih nobel fisika 2015 ini telah menyingkap sebuah retakan pada model standar. Telah menjadi jelas bahwa Model Standar tidak dapat merupakan teori yang komplit tentang bagaimana konstituen mendasar alam semesta berfungsi.

Sejumlah pertanyaan kunci tentang dunia neutrino perlu dijawab oleh teori-teori baru melebihi Model Standar untuk dapat dikembangkan secara penuh. Berapakah massa neutrino? Mengapa neutrino sangat ringan? Apakah ada jenis neutrino lainnya selain dari ketiga jenis yang telah dikenal selama ini? Apakah neutrino adalah antipartikel mereka sendiri? Mengapa neutrino sangat berbeda dibandingkan dengan partikel elementer lainnya?

Penemuan yang meraih penghargaan nobel fisika tahun 2015 ini telah memberikan pandangan yang krusial pada dunia neutrino yang hampir-hampir merupakan daerah yang tersembunyi. Eksperimen-eksperimen lainnya masih sedang berlangsung intensif di bawah tanah di pelbagai belahan dunia untuk terus menangkap neutrino dan memeriksa sifat dan karakteristiknya secara lebih rinci. Penemuan baru tentang rahasia terdalam neutrino diharapkan akan mengubah pemahaman kita tentang sejarah, struktur, dan takdir masa depan alam semesta ini.

Ilmu Allah masih sangat luas. Celupkanlah jarimu di lautan, air yang ikut di jarimu adalah ilmu manusia, dan sisanya, lautan yang maha luas itu adalah ilmu Allah.

Selamat kepada penerima anugerah Nobel fisika 2015!


sumber: Laman the Royal Swedish Academy of Sciences, http://kva.se

04 Oktober 2015

Toshihide Maskawa, Penerima Nobel Fisika 2008: Penyuka Matematika yang Lebih Memilih Fisika

Toshihide Maskawa adalah fisikawan Jepang yang berhasil menerima nobel fisika tahun 2008, bersama dengan Yoichiro Nambu, dan Makoto Kobayashi.

Dilahirkan pada tahun 1940, Maskawa adalah anak kedua dalam sebuah keluarga yang tinggal di Nagoya. Saudaranya tertua Maskawa, seorang perempuan, meninggal pada usia yang masih sangat muda, ketika baru akan memasuki sekolah dasar, akibat penyakit tuberkulosis. Maskawa adalah seorang anak yang lemah fisik, postur tubuhnya kurus karena mengalami masalah pada pencernaan. Orang tuanya sempat mengkhawatirkan kesehatannya sehingga berkali-kali harus membawanya ke dokter terkenal untuk diperiksa. Praktis, dalam masa pertumbuhannya, Maskawa kecil tidak menggunakan waktunya untuk bermain-main dengan anak-anak lain seusianya, tetapi justru berkembang di tengah interaksinya dengan orang-orang dewasa. Hal ini menjadi penyebab sehingga gaya bicara Maskawa kecil terdengar lebih dewasa dari usianya. Tetapi justru karena kondisi inilah, saat bersekolah di sekolah dasar, Maskawa pernah mendapatkan skor yang sempurna dalam ujian Bahasa Jepang yang dirancang untuk menguji kemampuan murid-murid sekolah dasar dalam menggunakan kata-kata bahasa Jepang dalam kehidupan sehari-hari, misalnya dengan membuat kalimat sederhana menggunakan kata-kata tertentu. Namun di sisi lain, untuk aspek membaca dan menulis dalam huruf-huruf China yang digunakan juga di Jepang, Maskawa paling sering mendapat nilai nol.

Ketika sebuah perpustakaan baru di kota dibuka di dekat sekolahnya, Maskawa segera menjadi salah satu pengunjung yang paling rajin dan mulai berkenalan dengan buku-buku jenis apapun. Kebiasaan ini pelan-pelan membuat Maskawa memiliki kemampuan membaca secara efektif yang baik. Pertanyaan yang sering sekali muncul dalam benak Maskawa ketika membaca sebuah buku adalah mengapa seorang penulis memilih untuk menuliskan suatu cara tetapi tidak menuliskan cara yang lain meskipun kedua cara itu memiliki arti yang hampir sama? Pada masa tersebut, Maskawa sering sekali tenggelam dalam kebiasaan memikirkan tentang keadaan psikologi penulis-penulis buku yang dibacanya. Kebiasaan tersebut terbukti sangat bermanfaat beberapa masa kemudian dalam kariernya sebagai peneliti. Saat Maskawa berdiskusi dengan teman-temannya, sering sekali Maskawa dapat memperoleh informasi yang lebih banyak dibandingkan dengan teman-temannya yang lain dari makalah yang sama mereka baca. Walaupun tak disangkal, sering pula dia melakukan kesalahan dengan membaca apa yang tidak tertulis dalam makalah.

Di sekolah dasar dan sekolah menengah pertamanya, Maskawa tidak terlalu fokus pada kelas dan tidak dapat dianggap sebagai seorang murid yang baik dengan standar apapun. Pernah suatu ketika, di akhir tahun ketiganya di SMP, ada kelas bahasa Jepang dimana guru mata pelajaran tersebut meminta siswa untuk menulis esai yang akan disertakan dalam sebuah kumpulan karangan kenangan alumni. Semua teman-teman sekelas Maskawa menulis esai mereka tentang ambisi masing-masing di masa depan. Ada yang mau menjadi tukang kayu mengikuti jejak bapaknya, ada yang berharap dapat kuliah di perguruan tinggi agar bisa menjadi insinyur, dan sebagainya, tetapi Maskawa justru menulis esainya tentang evolusi bintang, topik yang ia baca dari sebuah majalah remaja pada masa itu. Maskawa rupanya tidak mendengarkan penjelasan gurunya bahwa esai itu akan dimasukkan ke dalam jilid buku tentang kenangan alumni.

Pada masa-masa kecilnya, Maskawa tidak pernah berpikir tentang masa depannya atau pun tujuan-tujuan tertentu yang ingin diraihnya. Maskawa masuk SMA tanpa motivasi yang kuat, hanya sekedar ikut-ikutan dengan teman-temannya. Namun demikian, ada sebuah kenangan yang terpatri di memori Maskawa. Sebuah kenangan yang dialaminya saat baru saja tamat SMP dan akan masuk SMA. Ketika itu, Maskawa membeli sebuah buku yang diperlukan untuk SMA dan membawanya ke rumah. Saat dia sedang membuka-buka buku teks matematika yang dibelinya itu, Maskawa memperhatikan sebuah karakter yang asing baginya, sebuah simbol penjumlahan sigma. Segera setelah Maskawa membaca penjelasannya, akhirnya dia memahami bagaimana menggunakan simbol tersebut. Dari penjelasan itu, Maskawa mengetahui bahwa dengan menggunakan simbol sigma tersebut, dia dapat menghitung jumlah pangkat ke-n dari bilangan asli, 1n + 2n + ... + kn untuk sebarang nilai n. Maskawa sangat tertarik sehingga dia menghitung hasil penjumlahan tersebut untuk pangkat n yang lebih tinggi meskipun membutuhkan waktu yang cukup lama baginya. Tidak mengherankan untuk seorang laki-laki yang belum masuk SMA, sebab untuk murid seusia itu belum memiliki pengetahuan yang cukup untuk memikirkan sebuah fungsi pembangkit untuk penjumlahan tersebut.

Saat masa perang dunia kedua usai, orang tua Maskawa menjalankan bisnis kecil-kecilan yang menuntutnya untuk ikut terlibat bekerja sama dari pagi-pagi sekali sampai menjelang malam, sehingga mereka tidak memiliki waktu untuk memperhatikan studi anak-anaknya. Mengambil keuntungan dari kesibukan orang tuanya, Maskawa hanya mengisi waktunya dengan bermain dan bermain saja seharian tanpa pernah belajar. Meski demikian, Maskawa sangat mencintai buku. Uang jajan dan uang tambahan yang ia terima jika membantu-bantu bisnis orang tuanya hampir semuanya digunakan oleh Maskawa untuk membeli buku. Dalam membeli buku pun, Maskawa membelinya begitu saja, tanpa memilah-milah buku yang dibutuhkannya. Maskawa baru membaca buku itu setelah tanpa sengaja ia melihatnya di rak buku-bukunya.

Saat di SMA, sebagai dampak dari perang dunia II, buku sulit ditemukan. Maskawa yang suka membeli buku terpaksa berkeliling daerah untuk mencari toko buku bekas setiap akhir pekan. Dengan uang sakunya Maskawa membeli buku-buku cerita detektif dan misteri serta novel karangan Ryunosuke Akutagawa. Belakangan, Maskawa secara perlahan-lahan mulai membeli buku-buku matematika.

Buku matematika pertama yang dibelinya adalah buku yang berjudul “Theory of Functions” yang diterbitkan sebagai sebuah volume dalam buku New Mathematics Series oleh Baifu-kan, Tokyo. Maskawa sangat terpesona bagaimana sebuah buku matematika ditulis, karena selama ini dia hanya selalu melihat buku-buku teks sekolah yang biasa saja. Maskawa mengetahui istilah “fungsi” itu hanya dari buku teks matematika untuk pelajar. Buku “Theory of Functions” tersebut telah memberi sedikit pandangan kepada Maskawa tentang fungsi variabel kompleks yang dapat didiferensialkan dan merasa pusing seolah-olah dia terjebak ke dalam sebuah dunia yang asing, yang sangat berbeda dengan yang sering dihadapi sehari-hari.

Ads by Google
Pada masa-masa akhir SMA Maskawa, Uni Sovyet berhasil mendaratkan satelit buatan pertamanya, Sputnik I. Setelah peristiwa tersebut, Maskawa mulai menghitung orbit satelit dan roket dengan menggunakan sebuah aturan penggeseran dan sebuah sempoa. Dari posisi relatif bulan dan bumi, Maskawa menunjukkan kepada temannya prediksinya kapan Sovyet akan meluncurkan sebuah roket untuk tahapan berikutnya. Untuk dapat mengonfirmasi kebenaran prediksinya itu, Maskawa selalu mendengarkan pancaran radio Moskow mulai pukul 11.00 malam hari. Maskawa kemudian menyadari bahwa ada sebuah isu tentang ketepatan waktu yang ditunjukkan oleh jam. Berdasarkan pengukuran yang dilakukannya, Maskawa menemukan bahwa jam yang dia miliki memiliki kesalahan sistematis sebesar -8 sekon tiap hari dan kesalahan acak kurang lebih 2 sekon per hari. Hal tersebut muncul sebagai akibat dari adanya perubahan musim dan merupakan sumber kesalahan sistematik. Jika temperatur naik, keseimbangan roda menjadi lebih besar, momen inersia juga menjadi lebih besar, sehingga jam akan menjadi lebih lambat. Kebergantungan temperatur pada penyimpangan inilah yang membelokkan perkiraan Maskawa. Hal ini telah mengganggunya selama beberapa tahun sehingga Maskawa selalu mencari-cari buku tentang jam dan menelaahnya tiap kali dia mengunjungi sebuah toko buku besar, namun penjelasan yang dicari-carinya tidak ditemukan juga. Butuh waktu lima tahun kemudian sampai akhirnya Maskawa menemukan jawabannya. Pemuaian termal keseimbangan roda dan perubahan inersia tersebut sebenarnya dikompensasi oleh sebuah alat mekanis yang hebat. Dari pengalamannya ini, Maskawa belajar bahwa jam dinding memiliki semacam alat koreksi temperatur yang dapat dilihat dengan jelas. Kejadian ini mengandung nilai moral bagi Maskawa bahwa sesuatu harus dipikirkan secara hati-hati, menimbang sebanyak mungkin hal-hal yang relevan dengan apa yang dipikirkan itu.

Maskawa terdaftar di Nagoya University setelah setahun belajar keras, termotivasi oleh keinginannya untuk menghindari menjadi pelanjut bisnis orang tuanya sebagai penjual gula. Kelas pertama di universitas itu adalah analisis matematis yang dibawakan oleh seorang profesor berinisial H. Maskawa mengingat betul kata-kata dosennya itu seperti ini, “Misalkan ada dua bilangan positif sebarang e dan a, maka akan selalu ada sebuah bilangan asli N sedemikian sehingga berlaku Ne > a. Pernyataan ini disebut aksioma Archimedes.” Setelah dosen itu mengatakan, “Saya akan membuktikannya”, maka dimulainyalah kuliah itu dengan menjelaskan tentang potongan Dedekind. Maskawa heran, “apa pula ini!” batinnya. “Mengapa tidak langsung saja kita menghitung a/e dan mengambil N sebagai bagian integer ditambah dengan satu?”. Maskawa mengalami keterkejutan budaya.

Kelas berikutnya adalah kelas biologi oleh profesor T. Ketika Maskawa mengambil tempat duduk di barisan depan, selembar kertas diarahkan kepadanya dari belakang. Kertas itu mengandung tantangan, dengan perintah “Selesaikanlah masalah berikut ini!” lalu di bawahnya terdapat 6 soal matematika. Soal-soal matematika itu adalah soal-soal yang memerlukan pemecahan persamaan diferensial seperti penentuan catenary, bentuk rantai yang menggantung, dan sejenisnya. Dengan cara seperti ini lingkaran teman Maskawa bertambah dan dia dapat bertemu dengan sejumlah guru-guru yang bagus.

Situasi di Nagoya University saat Maskawa mulai menjalani masa-masa mahasiswa secara tidak langsung mendukung karier fisikanya. Pada saat itu, kampus untuk mahasiswa yang masih baru dan mereka yang sudah tingkat lanjut terpisah. Kurikulum untuk kuliah-kuliah pendidikan yang umum bagi mahasiswa dua tahun pertama sebelumnya merupakan pelajaran yang dipelajari di sekolah menengah atas pada sistem pendidikan yang lama oleh karena itu ada beberapa pengajar pada sistem lama tersebut masih tetap tinggal di jurusan fisika. Maskawa dan teman-teman yang berdiskusi tentang soal-soal yang tidak mereka pahami, sering kali menemui guru-guru ini di ruangan mereka untuk minta penjelasan. Awalnya hal ini biasa saja. Namun, lama kelamaan, para guru-guru itu mulai menghindari Maskawa dan teman-temannya karena mereka sering kali menanyakan pertanyaan yang rumit-rumit. Tetapi ada seorang dosen yang dengan kalemnya menjawab pertanyaan mereka di balik kursinya saja. Dosen itu adalah seorang profesor yang masih muda. Jika ditanya suatu pertanyaan, jawab dosen itu, “Saya tidak dapat dengan segera menjawab pertanyaan-pertanyaan yang muncul secara mendadak seperti itu. Cobalah mengkajinya sendiri. Saya siap meminjamkan buku saya jika perlu.”

Bagi Maskawa, itulah pertemuan pertamanya dengan seseorang guru yang berkarakter seorang peneliti. Guru yang dihadapi Maskawa selama ini adalah model guru yang hanya mengajarkan apa yang mereka ketahui. Maskawa kemudian menyadari bahwa seorang dosen di perguruan tinggi juga harus melakukan penelitian, menemukan hal-hal yang baru. Para mahasiswa yang dekat dengan profesor muda ini akhirnya mulai membentuk kelompok yang relatif tetap, yang melakukan banyak hal bersama-sama. Kelompok ini beranggotakan mahasiswa dari seluruh jurusan di fakultas sains, walaupun demikian yang paling banyak adalah mahasiswa jurusan fisika. Kelompok ini mereka beri nama DEPHIO, inisial dari nama-nama Dirac, Einstein, Pauling, Hilbert, Ingold, Oparin, yang merupakan ilmuwan-ilmuwan hebat yang mewakili tiap jurusan di fakultas sains.

Dalam kelompoknya, Maskawa lebih sering berdiskusi tentang matematika. Kebiasaannya berburu buku di toko buku-toko buku bekas masih terus berlanjut. Dari toko buku bekas itu Maskawa sering kali menemukan buku matematika yang bagus seperti Seri Kuliah Matematika yang diterbitkan oleh penerbit Iwanami sebelum perang.

Ketika Maskawa pindah ke kampus Higashiyama sebagai seorang mahasiswa yunior, Maskawa masih belum dapat memutuskan apakah akan fokus ke matematika atau akan mengambil fisika. Namun, Maskawa akhirnya memilih menggeluti fisika lebih dalam. Di kelas fisika tingkat lanjut, ada sekitar sepuluh mahasiswa yang tertarik mengkaji fisika teoritis, dan dari sepuluh orang tersebut sekitar enam orang yang memilih fisika partikel. Jumlah peminat fisika partikel yang banyak ini semata-mata hanya disebabkan karena para mahasiswa itu mengabaikan berbagai cabang sains lain yang juga menarik. Setelah mengikuti perkuliahan sekitar satu tahun para mahasiswa ini pun akhirnya tersebar-sebar ke dalam berbagai cabang yang menarik hasrat mereka, seperti astrofisika dan fisika inti.

Sebagai mahasiswa master di jurusan fisika Nagoya University, tahun pertama mahasiswa yang mengambil kekhususan fisika teoritis harus mengikuti seminar tentang teori medan sebagai mata kuliah yang wajib selama setahun. Pada hari-hari itu, semua fisikawan partikel di seluruh dunia mempercayai berbagai alasan bahwa teori medan akan segera digantikan dengan teori yang lebih baru. Demikian pula di laboratorium Sakata. Kurikulum teori medan yang dipelajari pada waktu itu merupakan kurikulum yang dirancang pada tahun 1950an. Kurikulum itu dimulai dengan kuantitasi medan Dirac dengan menggunakan variabel amplitudo dan fase. Kemudian dilanjutkan dengan teori medan Heisenberg-Pauli dan ruang Fock, dan dengan teori Feynman, menggambarkan interaksi elektromagnetik sebagai sebuah aksi dari sebuah jarak meniadakan gambaran foton, yang diakhiri dengan teori renormalisasi Dyson dengan tambahan makalah Salam tentang divergensi-b. topik-topik kuliah ini membuat Maskawa begitu fokus pada teori medan, yang tak seorang pun memperhatikannya di tahun 1960an. Dari sinilah Maskawa tertarik pada masalah teoritis yang berkaitan dengan interaksi lemah. Ketika pentingnya teori medan ini mulai disadari beberapa waktu kemudian, situasi pun telah berubah 360 derajat dan kurikulum fisika teori pada program tingkat lanjut (magister) di Nagoya University kembali berada di garis terdepan dunia fisika.

Maskawa bergabung dengan laboratorium Profesor Sakata di tahun 1964 dan memulai penelitiannya dalam bidang fisika partikel. Namun demikian, sifatnya yang tidak teratur tidak juga berubah ketika melakukan penelitian-penelitian tentang fisika partikel. Maskawa kemudian melanjutkan berkolaborasi dengan fisikawan yang menekuni bidang lain seperti fisika inti, fisika zat padat, dan sebagainya.

Tahun 2008 adalah puncak tertinggi karier Toshihide Maskawa. Di tahun itu, bersama Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa dianugerahi penghargaan Nobel Fisika atas penemuan mereka tentang asal usul kerusakan simetri yang memprediksi keberadaan paling tidak tiga keluarga kuark di alam ini.

“... Bagi seorang fisikawan teoritis, periode yang paling mengesankan adalah bangun di pagi hari untuk menemukan sebuah kebenaran yang Anda tidak dapat bayangkan sebelumnya”, begitulah bagi Toshihide Maskawa ketika ditanya tentang saat-saat yang menyenangkan dalam hidupnya.

18 September 2015

MAKOTO KOBAYASHI: PENERIMA NOBEL FISIKA 2008

Makoto Kobayashi, penerima nobel fisika 2008
Makoto Kobayashi dilahirkan di Nagoya, Jepang pada masa perang dunia II tepatnya pada tanggal 7 April 1944. Di paruh waktu masa perang itu, Kobayashi kecil harus mengungsi ke kampung Kawagoe di Prefektur Mie sehingga selamat dari peristiwa pengeboman tentara sekutu di Nagoya. Ayah Kobayashi adalah seorang mantri kesehatan yang bekerja sebagai direktur pusat kesehatan Nagoya. Dia meninggal tak lama setelah perang dunia II berakhir. Waktu itu Kobayashi masih berusia dua tahun. Karena usianya yang masih relatif kanak-kanak saat ayahnya meninggal, Kobayashi sama sekali tidak memiliki kenangan dengannya.

Sepeninggal ayahnya, Kobayashi bersama keluarganya kembali ke Nagoya dan berupaya menemukan kembali rumah mereka yang dulu yang waktu itu telah menjadi abu akibat dahsyat bom atom. Karena rumah dulunya itu tidak mungkin ditempati lagi, akhirnya Kobayashi tinggal di rumah keluarga ibunya. Ibu Kobayashi, bernama Ai, bermarga Kaifu. Ketika itu, kakeknya dan keluarga pamannya tinggal bersama-sama di rumah nenek Kobayashi. Sepupu paling tua Kobayashi, yang bernama Toshiki Kaifu, kelak menjadi perdana menteri Jepang. Kobayashi adalah anak tunggal. Sepupunya yang lain, yang bernama Norio Kaifu, adalah seorang astronom yang bekerja di National Astronomical Observatory Jepang.

Pada tahun 1975, Kobayashi menikah dengan Sachiko Enomoto. Putranya, Junichiro, lahir pada tahun 1977. Sachiko meninggal akibat kanker pada usia 39 tahun. Pada tahun 1990, Kobayashi menikah lagi dengan Emiko Nakayama. Ayah Emiko adalah seorang matematikawan yang terkenal dengan penelitiannya tentang aljabar Fronebius. Kobayashi tidak pernah bertemu dengan mertuanya itu sebab dia meninggal ketika Emiko, istrinya, masih kecil. Bersama Emiko, Kobayashi memiliki seorang puteri bernama Yuka.

Pendidikan sekolah dasar dan menengah Kobayashi ditempuh di sekolah umum. Tidak ada hal-hal yang istimewa pada masa-masa sekolah ini. Ketika di sekolah atas (setaraf SMA), hampir setiap hari Kobayashi bermain tenis. Meskipun Kobayashi tidak terlalu hebat dalam bermain tenis, Kobayashi menjadikan olah raga ini sebagai rutinitasnya pada tahun-tahun usia dewasanya. Sekitar masa dewasa itulah, Kobayashi membaca buku berjudul “Evolution of Physics” yang ditulis oleh Albert Einstein dan Leopold Infeld. Buku itu memantik rasa suka Kobayashi terhadap fisika.

Akhirnya Kobayashi memilih jurusan fisika di Nagoya University. Ketertarikannya ke Nagoya University bukan hanya karena dekat dengan tempat tinggalnya, tetapi juga karena Shoichi Sakata bekerja di salah satu fakultas di universitas tersebut. Shoichi Sakata terkenal berkat model partikel fundamentalnya, sehingga bahkan siswa sekolah atas pun mengenalnya.

Ketika menjadi mahasiswa pascasarjana, Kobayashi memulai penelitiannya dalam bidang fisika partikel sebagai anggota laboratorium pimpinan Profesor Sakata. Atmosfer yang penuh kebebasan dalam laboratorium tersebut; yang diterapkan tanpa pandang bulu, memberi kesempatan kepada mahasiswa pascasarjana untuk berpartisipasi secara penuh dalam diskusi satu sama lain di antara para peneliti. Dari hasil diskusi dengan para peneliti itulah Kobayashi banyak memperoleh pengalaman.

Profesor Sakata meninggal dunia ketika Kobayashi masih menjadi mahasiswa pascasarjana. Selama menjalani hari-harinya tanpa kehadiran Prof. Sakata lagi, Kobayashi banyak berdiskusi dengan Profesor Yoshiro Ohnuki. Di Nagoya University, Kobayashi juga bertemu dengan Toshihide Maskawa. Perkenalan pertama Kobayashi dengan Maskawa sebenarnya adalah saat Kobayashi masih mahasiswa sarjana. Ketika itu, Maskawa banyak membantu teman-teman Kobayashi dalam belajar.

Kobayashi mulai melakukan penelitian bersama dengan Maskawa setelah menjadi mahasiswa pascasarjana. Tema penelitian pertama mereka adalah simetri chiral. Kobayashi dan Maskawa mencoba menjelaskan topik tersebut dengan menggunakan pendekatan dari perspektif model kuark.

Pada bulan Maret 1972, Kobayashi meraih gelak doktornya dalam bidang fisika dari Nagoya University. Pada masa itu, mendapatkan sebuah posisi tertentu bagi seorang peneliti pasca-doktoral adalah hal yang sulit. Untungnya, Kobayashi akhirnya mendapat kontrak dari Kyoto University untuk menjadi seorang peneliti muda Jurusan Fisika di universitas tersebut. Bulan April, Kobayashi pindah ke Kyoto. Di sana ia melanjutkan penelitiannya bersama Maskawa, yang telah pindah ke Kyoto University lebih dahulu. Di Kyoto pula, Kobayashi bersama Maskawa mengerjakan topik tentang pelanggaran simetri CP, sebuah penelitian yang akhirnya mencatatkan nama mereka sebagai salah seorang penerima hadiah nobel fisika.

Penemuan partikel J/ pada tahun 1974 telah menggemparkan banyak negara, termasuk Jepang. Berbagai teori dikemukakan untuk menjelaskan karakter partikel J/ tersebut. Akhirnya diketahui bahwa partikel tersebut merupakan charmonium, yang merupakan sebuah keadaan ikatan kuark c dan anti partikelnya. Sebelumnya, petunjuk tentang adanya sebuah kuark keempat dikemukakan oleh Kiyoshi Niu dalam eksperimennya memapar tabung emulsi dengan sinar-sinar kosmik. Berdasarkan hasil Kiyhoshi Niu itu, sejumlah kelompok peneliti Jepang, termasuk grup dimana Kobayashi bergabung, berusaha mencari sebuah model untuk kuark keempat. Sayangnya, hasil-hasil penelitian mereka tidak mampu memprediksi waktu hidup keadaan charmonium yang lama.

Pada tahun 1975, tau lepton ditemukan. Karena penemuan ini mengindikasikan adanya kuark generasi ketiga, model enam kuark yang dikemukakan fisikawan menarik perhatian. Meskipun Kobayashi tidak berkontribusi secara langsung pada pengembangan model enam kuark tersebut, tetapi Kobayashi pernah menulis sebuah makalah yang berhubungan dengan model tersebut bersama dengan Katsuhiko Sato. Kobayashi mencoba menjelaskan massa dan waktu hidup neutrino dengan menggunakan argumen kosmologi.

Ads by Google
Selama periode tersebut, KEK (Laboratorium nasional energi inti di Jepang, semacam CERN di Swiss) telah mulai mengoperasikan akselerator sinkrotron proton yang dimilikinya dan sedang membahas tentang kelanjutan proyek TRISTAN berikutnya. Kobayashi terlibat dalam pembahasan tersebut dan kemudian dikontrak menjadi profesor pada Divisi Teori di KEK sehingga menyebabkannya harus pindah ke Tsukuba pada tahun 1979. Saat itu Divisi Teori KEK dikepalai oleh Hirotaka Sugarawa. Kobayashi bergabung di KEK bersamaan dengan Motohiko Yoshimura. Pada tahun tersebut, Kobayashi menerima penghargaan Nishina.

Sejak berada di KEK, Kobayashi sibuk membuat berbagai proposal untuk proyek TRISTAN. Proyek ini mula-mula dimaksudkan untuk membuat penumbuk elektron-positron-proton. Namun demikian, yang diterima usulan pembangunannya adalah pembangunan penumbuk elektron-positron yang dibangun pada tahun 1981. Operasi penumbuk tersebut mulai tahun 1987. Tanpa dapat meraih cita-cita menemukan kuark atas, TRISTAN dihentikan pada tahun 1995.

Selama periode tersebut, Kobayashi menghabiskan waktu selama 3 bulan di CERN sejak November 1982. Saat di CERN, partikel W ditemukan. Hal ini merupakan pengalaman yang sangat menarik bagi Kobayashi.

Pada tahun 1989, Kobayashi ditunjuk menjadi kepala Divisi II Fisika KEK. Dan sejak menempati posisi tersebut, Kobayashi bersama sejawatnya mulai bersungguh-sungguh mempersiapkan rencana pembangunan sebuah reaktor pasca-TRISTAN yaitu pembuatan akselerator B-factory dalam terowongan TRISTAN dan mengoperasikannya dengan sebuah tujuan untuk membuktikan pelanggaran CP dalam sebuah sistem meson B. proposal pembangunannya diterima dan mulai tahap pengerjaan pada tahun 1994. Eksperimen yang menggunakan B-factory dimulai pada tahun 1999, dan hasil pertama dari eksperimen ini diperoleh pada tahun 2000.

Tahun 2003, Kobayashi diangkat menjadi direktur institut studi partikel dan inti KEK. Dalam posisi barunya itu, Kobayashi bertanggung jawab langsung terhadap aktivitas penelitian eksperimen institusi yang dijalankan menggunakan akselerator B-factory. Selama menjabat sebagai direktur institut tersebut, Kobayashi KEK kemudian diubah dari sebuah organisasi pemerintah menjadi sebuah korporasi penelitian yang tidak berikatan dengan pemerintah. Kobayashi menjadi sangat sibuk dalam melakukan reorganisasi ini. Untungnya selama masa tersebut, mereka masih dapat menjaga bahkan meningkatkan performa akselerator B-factory. Hasil eksperimen mereka menunjukkan teori 6 kuark kelihatan cukup akurat.

Pada tahun 2006, Kobayashi pensiun dari jabatannya sebagai direktur institut dan menikmati masa-masa kebebasannya. Dia diundang menjadi anggota senior IIAS (International Institute for Advanced Studies), dan dalam kapasitasnya sebagai anggota senior Kobayashi berkesempatan ke distrik Kansai untuk tetap berdiskusi dan menulis makalah bersama dengan seorang rekannya, Taichiro Kugo, seorang teman yang pernah bersama-sama melakukan penelitian.

Berbagai penghargaan telah diterima Kobayashi selama kariernya. Tahun 2001 menerima penghargaan Person of Cultural Merit, dan penghargaan Order of Cultural pada tahun 2008, dari pemerintah Jepang. Pada tahun 2007 Kobayashi menerima penghargaan fisika partikel energi tinggi dari European Physical Society. Tentu saja penghargaan paling bergengsi yang diterimanya adalah peraih penghargaan nobel fisika bersama-sama dengan Yoichiro Nambu dan Toshihide Maskawa.

02 September 2015

Yoichiro Nambu, Penerima Nobel Fisika 2008

Yoichiro Nambu, penerima nobel fisika 2008
Yoichiro Nambu dilahirkan di Tokyo dan besar di kota provinsi Fukui. Belajar Fisika di Imperial University of Tokyo dari tahun 1940 sampai 1942, dan tamat pada jenjang M.S. (Master of Science). Yoichiro kemudian bekerja di laboratorium radar tentara. Di akhir masa perang, pada tahun 1946, Yoichiro kembali ke University of Tokyo sebagai seorang peneliti. Gelar doktoral diraihnya pada tahun 1952.

Pada tahun 1950, Yoichiro meraih gelar profesor di Universitas kota Osaka, universitas yang baru saja didirikan. Gelar sebagai profesor di Universitas ini dijabat oleh Yoichiro hingga tahun 1956. Namun demikian, antara tahun 1952 – 1954, Yoichiro tinggal di Institute of Advanced Study di Priceton USA, sebagai seorang pengajar di perguruan tinggi tersebut, dan pada tahun 1954 sampai dengan 1956 bekerja di University of Chicago sebagai seorang peneliti. Yoichiro diangkat menjadi lektor kepala di Chicago pada tahun 1956, menjadi profesor penuh pada tahun 1958 dan profesor kehormatan pada tahun 1971. Pada tahun 1973 – 1976 beliau menjabat sebagai ketua departemen fisika di universitas tersebut.

Yoichiro Nambu menikah dengan Chieko Hida pada tahun 1945 dan memiliki seorang putra, Jun-ichi. Yoichiro menjadi warga negara Amerika sejak tahun 1970. Yoichiro adalah pemegang honorary degree dari Osaka City University (1980).

Selama karirnya, Yoichiro menerima sejumlah penghargaan dari berbagai organisasi dan negara antara lain:

  • Medali Dannie Heineman, dari American Physical Society (1970)
  • Order of Culture, dari Pemerintahan Jepang (1978)
  • Medali sains nasional Amerika Serikat (1982)
  • Medali Max Planck, dari German Physical Society (1985)
  • Medali Dirac, dari International Center for Theoretical Physics, Trieste (1986)
  • Penghargaan Sakurai, dari American Physical Society (1994)
  • Medali Gian Carlo Wick, dari World Federation of Scientists, Lausanne (1996)
  • Penghargaan Bogoliubov, dari Joint Institute for Nuclear Research, Dubna (2003)
  • Medali Benjamin Franklin, dari Franklin Institution, Philadelphia (2005)
  • Penghargaan Pomeranchuk, dari Institute Theoretical and Experiment Physics, Moscow (2007)
Ads by Google

Minat Yoichiro dalam fisika sebenarnya adalah fisika teoritis. Meskipun University of Tokyo, universitas dimana Yoichiro menimba ilmu fisika, sangat terkenal dalam bidang fisika zat padat, tetapi Yoichiro masih lebih tertarik pada fisika inti dan fisika partikel. Dalam bidang ini, nama-nama seperti Nishina, Tomonaga, dan Yukawa yang berada di institusi lain, adalah beberapa nama yang telah tersohor atas kontribusinya dalam bidang tersebut.

Pada saat masih mahasiswa Yoichiro pernah mengikuti seminar dengan materi tentang fisika sinar kosmik dan fisika partikel yang dilaksanakan oleh Nishina dan Tomonaga di laboratoriumnya. Yoichiro pun memulai karir penelitiannya tatkala Tomonaga sedang mengembangkan teori tentang renormalisasi, sebuah teori yang akhirnya mengantarkannya menjadi salah seorang penerima hadiah nobel fisika.

Yoichiro lalu bergabung dengan grup penelitian Tomonaga dan mulai turut serta mengembangkan teori renormalisasi Tomonaga di samping mengerjakan topik-topik penelitian lainnya dalam bidang fisika partikel. Berkat rekomendasi Tomonaga, Yoichiro akhirnya mendapatkan tempat di Osaka City University yang selanjutnya di undang untuk belajar lebih lanjut di universitas tersebut.

Dari Jepang, Yoichiro kemudian pindah ke Chicago atas bantuan M. L. Goldberger.

Penelitian Yoichiro tentang kerusakan simetri spontan (spontaneus symmetry breaking, SSB), yang mengantarkan dan mencatatkan namanya sebagai salah seorang fisikawan penerima nobel fisika, dimulainya pada sekitar tahun 1959. Kajian SSB ini merupakan hasil dari pengalamannya selama bertahun-tahun bergelut dalam berbagai penelitian fisika baik dalam bidang fisika zat padat maupun dalam bidang fisika partikel. Ide tentang kerusakan simetri spontan sebagai sebuah fenomena yang umum dalam fisika terinspirasi dari teori BCS tentang superkonduktivitas yang berkembang pada tahun 1957. Teori SSB yang dikembangkan Yoichiro secara khusus kemudian diaplikasikan dalam bidang fisika partikel yakni dalam menjelaskan mekanisme pembentukan massa nukleon dan partikel pion. Artikel tentang hal tersebut pertama kali diterbitkannya pada tahun 1960 dan sejak saat itu Yoishiro semakin gencar melakukan pengkajian tentang topik tersebut.


Disadur dari: Les Prix Nobel. The Nobel Prizes 2008, Editor Karl Grandin, [Nobel Foundation], Stockholm, 2009

15 Agustus 2015

LASER PUTIH PERTAMA DI DUNIA

Laser telah ditemukan sejak tahun 1960 dan hingga sekarang telah digunakan dalam banyak bidang. Ada satu karakteristik dari laser yang hingga saat ini belum dapat dipecahkan, menghasilkan sebuah laser putih. Laser putih adalah laser yang memancarkan sinar putih. Di mana-mana, di seluruh dunia ini, selama ini sinar laser hanya terdiri atas satu berkas warna saja: merah atau hijau. Tetapi itu dulu!

Sekelompok peneliti di Arizona State University telah membuka jalan penemuan laser putih. Kelompok peneliti tersebut telah berhasil memperlihatkan bahwa laser semikonduktor dapat memancarkan spektrum sinar yang mengandung semua spektrum sinar cahaya tampak. Jika semua spektrum cahaya tampak dapat dipancarkan, maka secara teoritis, cahaya putih berpeluang dihasilkan sebab cahaya putih adalah gabungan seluruh spektrum warna-warna tersebut.

Para peneliti yang tergabung dalam kelompok tersebut telah membuat sebuah lembaran material yang sangat tipis pada ukuran nano, sehingga disebut lembaran nano. Lembaran nano ini adalah lapisan semikonduktor yang ukurannya secara kasar kira-kira sama dengan 1/50 kali ketebalan rambut manusia. Tebal lembaran nano ini sendiri kira-kira sama dengan 1/1000 kali tebal rambut manusia. Lembaran nano tersebut terdiri atas tiga segmen yang sejajar, masing-masing segmen mendukung operasi laser pada satu warna dasar. Lembaran nano ini mampu memancarkan sinar warna apapun, yang dapat disetel-setel mulai dari warna merah, hijau, hingga biru, termasuk kombinasi warna-warna antaranya. Jika keseluruhan medan gelombang warna ini dapat disatukan, maka dapat diperoleh laser warna putih.

Peneliti dalam kelompok tersebut, insinyur di Sekolah Teknik Arizona State University, telah menerbitkan hasil temuan mereka dalam jurnal online Nature Nanotechnology edisi 27 Juli 2015. Cun-Zheng Ning, profesor di School of Electrical, Computer, and Energy Engineering, adalah penulis makalah “A monolithic white laser”, bersama dengan mahasiswa doktoralnya Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhincheng Liu dan David Shelhammer. Turkdogan dan Liu menyelesaikan program doktor mereka setelah menyelesaikan penelitian tersebut.

Potensi Aplikasi

Teknologi tingkat tinggi tersebut telah mengarahkan laser menjadi selangkah lebih dekat untuk dapat dimanfaatkan sebagai sumber cahaya utama dan berpotensi menggantikan atau sebagai alternatif dari lampu diode (LED). Sinar laser lebih terang, jauh lebih efisien, dan secara potensial dapat menghasilkan warna yang akurat dan jelas terutama untuk keperluan layar monitor seperti monitor komputer atau televisi. Tim Ning telah menunjukkan bahwa struktur laser yang mereka buat memiliki cakupan warna sekitar 70% lebih banyak dibandingkan dengan cakupan warna yang terdapat pada industri layar monitor standar sekarang ini.

Ads by Google
Aplikasi lain yang penting dari hasil temuan mereka adalah pada potensi penggunaannya dalam pengembangan komunikasi cahaya tampak yang memiliki kesamaan dengan sistem penerangan ruangan. Ini berarti bahwa struktur yang mereka temukan, dapat digunakan baik untuk keperluan pencahayaan atau pun untuk komunikasi. Teknologi tersebut, yang saat ini sedang berupaya dikembangkan oleh ahli, disebut dengan Li-Fi untuk komunikasi nirkabel berbasis cahaya, sebuah tandingan untuk Wi-Fi. Wi-Fi telah kita ketahui merupakan sistem komunikasi nirkabel berbasis gelombang radio. Li-Fi bisa 10 kali lebih cepat dibandingkan dengan Wi-Fi sekarang ini, Li-Fi dengan laser putih bisa 10 sampai 100 kali lebih cepat dibandingkan dengan Li-Fi berbasis LED yang saat ini sementara dalam pengembangan.

Upaya awal pembuatan laser putih dan tantangannya untuk aplikasi pencahayaan

Jika Anda telah membaca tulisan bagaimana cara kerja laser, maka Anda tentu menyadari bahwa konsep laser putih ini kelihatannya muskil karena cahaya yang berasal dari sebuah laser selama ini hanya mengandung satu warna saja, yaitu hanya satu panjang gelombang sempit tertentu dari spektrum gelombang elektromagnetik. Sementara kita tahu bahwa cahaya putih dipandang sebagai gabungan lengkap dari semua panjang gelombang spektrum cahaya tampak. Pada lampu berbasis LED biasa, sebuah LED biru dilapisi dengan material fosfor untuk mengubah sebagian cahaya biru tersebut menjadi cahaya hijau, kuning, dan merah. Campuran warna-warna ini akan dipersepsi oleh manusia sebagai cahaya putih sehingga dapat digunakan sebagai alat penerangan secara umum.

Laboratorium National Sandia pada tahun 2011 telah memproduksi lampu cahaya putih kualitas tinggi dengan menggunakan empat laser besar yang saling terpisah. Para peneliti di laboratorium nasional Sandia tersebut kemudian menunjukkan bahwa ternyata mata manusia memiliki tingkat kenyamanan yang sama pada cahaya putih yang dihasilkan oleh laser diode ini dengan cahaya putih yang dihasilkan oleh lampu LED. Hasil ini menjadi inspirasi bagi peneliti lain untuk dapat lebih meningkatkan teknologi lampu berbasis laser tersebut.

“Meskipun demonstrasi pembuktian konsep laser putih ini mengesankan, laser secara sendiri-sendiri tidak dapat digunakan untuk keperluan penyinaran ruang atau untuk tampilan monitor,” Kata Ning. “Dibutuhkan sebuah material semikonduktor yang sangat kecil untuk dapat memancarkan sinar laser dalam semua spektrum warna atau dalam warna putih.”

Semikonduktor, yang biasanya merupakan unsur kimiawi padat atau campuran yang tersusun dalam bentuk kristal, saat ini secara luas telah digunakan sebagai komponen utama otak komputer serta dalam sistem telekomunikasi. Semikonduktor memiliki karakteristik optik yang menarik dan digunakan dalam membuat laser dan LED karena dapat memancarkan sinar atau cahaya dengan warna tertentu saat sebuah beda potensial dikenakan pada semikonduktor tersebut. Material pemancar cahaya yang paling banyak digunakan sebagai semikonduktor adalah indium galium nitrida, meskipun material-material lainnya seperti kadmium sulfida dan kadmium selenida juga sering digunakan untuk memancarkan warna cahaya tampak.

Tantangan utama pada pemanfaatan semikonduktor ini adalah, seperti yang dicatat oleh para ilmuwan, terletak pada bagaimana menumbuhkan material semikonduktor pemancar cahaya tersebut dan bagaimana agar material semikonduktor ini bekerja memancarkan sinar atau warna-warna yang bervariasi. Biasanya, sebuah semikonduktor tertentu hanya memancarkan satu warna tunggal, --biru, hijau, atau merah—yang ditentukan oleh struktur atomik yang khas dan celah pita energinya.

“Konstanta kisi” dalam kristal menyatakan jarak antara atom-atom dalam kristal. Untuk menghasilkan semua panjang gelombang yang mungkin dalam spektrum cahaya tampak, Anda membutuhkan beberapa semikonduktor yang memiliki konstanta kisi yang memiliki variasi nilai yang tinggi termasuk variasi nilai celah energinya.

“Sasaran kami adalah memperoleh sebuah semikonduktor tunggal yang dapat melakukan fungsi laser untuk tiga warna laser dasar. Semikonduktor tersebut harus cukup kecil, sehingga orang dapat mengindera secara keseluruhan campuran warnanya, bukan tiga warna yang berbeda-beda,” kata Fan. “Tapi itu tidaklah mudah”.

“Tantangan utamanya adalah ketidaksesuaian kisi, atau konstanta kisi kristal yang sangat berbeda untuk tiap-tiap material yang diperlukan,” Kata Liu. “Kami belum mampu menumbuhkan kristal semikonduktor yang berbeda-beda secara bersamaan dengan kualitas yang cukup tinggi, dengan menggunakan teknik tradisional, apabila konstanta kisi kristal-kristal tersebut memiliki nilai yang sangat berbeda satu sama lain.”

Solusi yang sangat diharapkan, menurut Ning, adalah sebuah struktur semikonduktor tunggal yang memancarkan semua warna yang dibutuhkan. Ning bersama-sama dengan mahasiswa doktoralnya akhirnya beralih pada nanoteknologi untuk untuk mencapai momentum bersejarah mereka. Idenya adalah bahwa pada tingkat nanometer, ketidaksesuaian kisi yang besar dapat ditoleransi lebih baik dibandingkan dengan menggunakan teknik penumbuhan tradisional pada material padatan. Pada tingkat nanometer, kristal kualitas tinggi dapat ditumbuhkan bahkan dengan ketidakcocokan konstanta kisi yang cukup besar.

Menyadari hal unik tersebut, Grup Ning mulai mencari sejumlah karakteristik khusus nanomaterial, misalnya pada kawat nano, atau lembaran nano, sejak sepuluh tahun yang lalu. Bersama mahasiswanya, Ning telah meneliti berbagai jenis nanomaterial untuk dapat menemukan nanomaterial yang paling menguntungkan untuk mengkaji penumbuhan kristal berkualitas tinggi dari material-material yang berbeda.

Enam tahun yang lalu, dengan bantuan dana dari Army Research Office, mereka akhirnya dapat menunjukkan bahwa material kawat nano dengan rentang celah pita energi yang lebar memang dapat ditumbuhkan pada sebuah substrat tunggal dengan panjang sekitar 1 cm. Beberapa waktu kemudian, mereka berhasil membuat laser hijau dan merah yang bekerja secara serentak dengan menggunakan lembaran nano dan kawat nano semikonduktor. Pencapaian ini menjadi pemicu Ning untuk mengetahui lebih jauh apakah sebuah laser putih tunggal benar-benar dapat dihasilkan.

Sinar warna biru, warna yang diperlukan untuk menghasilkan putih, terbukti merupakan tantangan yang paling besar dengan celah pita energinya yang besar dan memiliki sifat material yang berbeda. (Baca juga: Nobel Fisika 2014: Penemuan LED Biru dan Let There Be A High Efficiency Light)

“Kami telah berjuang hampir dua tahun untuk menumbuhkan material yang dapat memancarkan warna biru dalam bentuk lembaran nano, yang diperlukan untuk mendemonstrasikan laser putih,” kata Turkdogan, yang saat ini merupakan asisten profesor di Universitas Yalova di Turki.

Setelah melalui penelitian yang mendalam, kelompok peneliti Ning akhirnya sampai pada sebuah strategi yaitu membuat terlebih dahulu bentuk yang diinginkan, kemudian mengonversinya menjadi mengandung campuran (alloy) yang cocok untuk dapat memancarkan sinar biru. Turkdogan mengatakan, “Berdasarkan pengetahuan kami, strategi penumbuhan kami yang unik ini merupakan demonstrasi pertama kali tentang proses penumbuhan menarik yang disebut dual ion exchange process yang memungkinkan terbentuknya struktur yang diinginkan.”

Strategi pemisahan bentuk struktural dan komposisi seperti ini, mewakili terjadinya perubahan mendasar dalam hal strategi penumbuhan serta merupakan sebuah terobosan penting yang pada akhirnya memungkinkan penumbuhan sebuah struktur tunggal yang berisi tiga jenis semikonduktor yang berbeda yang dapat memancarkan semua warna yang dibutuhkan sehingga laser warna putih pun menjadi mungkin.

Meskipun bukti permulaan ini sangat penting, tantangan paling signifikan yang akan dihadapi adalah menghasilkan laser putih seperti di atas untuk dapat dimanfaatkan sebagai sumber pencahayaan dalam kehidupan yang sebenarnya atau pada penerapan untuk keperluan layar monitor. Salah satu langkah penting berikutnya yang perlu dicapai untuk sasaran ini adalah menghasilkan laser putih dengan sumber daya baterai. Untuk keperluan demonstrasi sekarang ini, peneliti harus menggunakan sebuah cahaya laser untuk memompa elektron agar dapat menghasilkan pemancaran cahaya. Upaya-upaya eksperimen di atas telah memperlihatkan bahwa kunci utama untuk pencapaian laser putih adalah persyaratan material yang dibutuhkan dan hal ini akan menjadi landasan selanjutnya untuk dapat menghasilkan sinar laser putih yang bekerja dengan menggunakan konsumsi listrik rumah tangga.

Nah, adakah Anda, pembaca blog ini, memiliki ide untuk mengembangkan dan memberikan sentuhan yang lebih jauh agar kita lebih dekat untuk mewujudkan impian tersebut?


Sumber:

Arizona State University. "World's first white lasers demonstrated: More luminous, energy efficient than LEDs, white lasers look to be the future in lighting and Li-Fi, or light-based wireless communication." ScienceDaily. ScienceDaily, 29 July 2015. .

08 Agustus 2015

Bagaimana Cara Kerja Laser?

Mungkin banyak di antara kita yang sudah mengetahui tentang laser. Dalam film-film fiksi ilmiah, teknologi laser sering sekali tampil dalam persenjataan. Jika Anda pernah mengikuti pelajaran fisika dan melakukan praktikum di laboratorium fisika modern, mungkin Anda pernah bekerja dengan laser. Pada pointer untuk presentasi biasanya juga menggunakan laser. Teknologi laser ini memang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari kita.

Dalam pemutar CD di rumah-rumah kita ada teknologi laser, dokter gigi menggunakan laser dalam pekerjaan mereka, dokter bedah mata menggunakan laser dalam pembedahan yang mereka lakukan. Tetapi apakah laser itu sebenarnya? Apakah yang membuat berkas sinar laser berbeda dengan berkas cahaya biasa? Atau apa yang membedakan sinar laser dengan jenis sinar lainnya?

Dalam tulisan ini, kita akan mencoba mengenali secara lebih mendalam tentang apa laser itu sebenarnya, beberapa jenis laser, dan dalam hal apa saja laser digunakan. Pertama-tama, mari kita pelajari hal-hal mendasar dari teknologi laser ini, yaitu tentang atom.

Dasar-dasar Atom


Terdapat sekitar 100 jenis atom yang berbeda-beda dalam seluruh galaksi ini. Segala sesuatu yang tampak bagi kita disusun oleh ke-100 atom-atom ini dalam berbagai macam kombinasi yang jumlahnya tak terbatas. Bagaimana atom-atom ini tersusun dan berikatan satu sama lain akan menentukan apakah atom-atom tersebut membentuk segelas air, sekeping logam, atau desis dari kaleng soda yang Anda minum.

Atom-atom bergerak secara terus menerus. Atom-atom senantiasa bergetar tanpa henti, bergerak dan berotasi. Bahkan atom-atom penyusun kursi yang sedang kita duduki. Benda-benda padat, meski kelihatan diam, bagian dalamnya (atom-atomnya) sungguh sangat sibuk dalam gerakannya. Gerakan berkaitan dengan energi. Ini berarti bahwa atom-atom yang bergerak dapat memiliki energi yang berbeda-beda. Jika kita memberikan sejumlah energi pada sebuah atom, maka atom dapat meninggalkan keadaannya yang sekarang, yaitu keadaan yang disebut dengan keadaan tingkat energi dasar, untuk menuju ke tingkat energi tereksitasi. Besarnya tingkat energi eksitasi ini bergantung pada jumlah energi yang diberikan pada atom. Energi tersebut dapat dalam bentuk panas, cahaya, atau listrik.

Gambar berikut ini merupakan gambaran klasik seperti apa atom itu.


Berdasarkan gambar di samping, sebuah atom secara sederhana terdiri atas sebuah inti (inti ini mengandung proton dan neutron) serta sebuah awan elektron. Kita dapat membayangkan elektron yang terdapat dalam awan ini bergerak mengelilingi inti dalam orbit yang berbeda-beda.

Penyerapan Energi


Bayangkan ilustrasi atom seperti yang telah dikemukakan di atas. Meskipun pandangan yang modern tentang atom tidak menggambarkan adanya orbit-orbit diskrit untuk elektron, akan sangat bermanfaat untuk memikirkan orbit-orbit ini sebagai tingkat energi yang berbeda-beda dari atom. Dengan kata lain, jika kita memberikan sejumlah panas pada sebuah atom, kita dapat mengharapkan bahwa beberapa elektron pada orbit yang lebih rendah akan melakukan transisi ke tingkat orbital yang lebih tinggi yang letaknya lebih jauh dari inti.

Hal ini merupakan penyederhanaan yang berlebihan, tetapi penyederhanaan ini dapat menggambarkan ide mendasar tentang bagaimana cara kerja atom itu sehingga menghasilkan laser.

Ads by Google
Ketika sebuah elektron berpindah ke orbit yang dengan energi yang lebih tinggi, elektron ini pada akhirnya akan kembali ke keadaan dasarnya (keadaan dasar ini disebut juga keadaan ground). Ketika hal ini terjadi, yaitu elektron kembali ke keadaan dasarnya, maka elektron ini akan melepaskan energinya dalam bentuk foton –partikel cahaya. Anda akan melihat atom melepaskan energi dalam bentuk foton sepanjang waktu. Sebagai contoh, ketika elemen pemanas dalam sebuah pemanggang menyala merah terang, warna merah ini disebabkan oleh atom-atom, yang tereksitasi oleh panas, dan melepaskan foton-foton merah. Saat Anda melihat gambar pada layar TV, apa yang Anda lihat sebenarnya adalah atom-atom fosfor, yang mengalami eksitasi oleh elektron yang berkecepatan tinggi, memancarkan warna-warna cahaya yang berbeda. Segala sesuatu yang menghasilkan cahaya, -- lampu fluoresen, lentera gas, bohlam lampu pijar, -- menghasilkan cahaya dengan cara mengubah orbit-orbit elektron untuk kemudian elektron tersebut melepaskan foton pada saat kembali ke keadaan dasarnya.

Kaitan antara atom dengan laser


Laser merupakan alat yang mengatur atau memanipulasi bagaimana atom-atom yang mengalami eksitasi melepaskan foton. Kata “laser” sendiri merupakan singkatan dari Light amplification by stimulated emission of radiation (penguatan cahaya dengan cara merangsang pemancaran radiasi). Nama ini dengan baik menggambarkan secara singkat bagaimana laser bekerja.

Meskipun terdapat banyak jenis laser, semuanya memiliki fitur-fitur tertentu yang penting. Dalam sebuah laser, sebuah medium penguat akan dipompa sehingga atom-atom medium tersebut mengalami keadaan tereksitasi. Secara khusus, kedipan cahaya yang sangat cepat atau muatan-muatan listrik akan memompa medium penguat dan menghasilkan sekumpulan besar atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi (atom-atom dengan elektron berenergi tinggi). Kita perlu memiliki sekumpulan besar atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi agar laser dapat bekerja secara efisien. Secara umum, atom-atom akan mengalami eksitasi ke dalam dua atau tiga tingkat di atas tingkat dasarnya. Hal ini akan meningkatkan derajat inversi populasinya. Inversi populasi merupakan jumlah atom-atom yang berada dalam keadaan tereksitasi dibandingkan dengan jumlah atom-atom yang berada dalam keadaan dasar.

mekanisme pemancaran cahaya pada atom

Begitu medium penguat telah dipompa, maka medium penguat ini akan mengandung sekumpulan atom-atom dengan sejumlah elektron yang berada pada tingkat eksitasi. Elektron yang tereksitasi memiliki energi yang lebih besar dibandingkan dengan elektron yang berada dalam keadaan dasar. Karena elektron menyerap sejumlah energi untuk dapat mencapai tingkat eksitasi, maka tentu saja elektron dapat juga melepaskan kembali energi ini. Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas, elektron dapat kembali ke keadaan dasarnya, dengan melepaskan sejumlah energi tertentu. Energi yang dilepas ini dipancarkan dalam bentuk foton (energi cahaya). Foton-foton yang dipancarkan memiliki panjang gelombang (warna) yang sangat khas yang bergantung pada tingkat energi elektron pada saat foton tersebut dilepaskan. Dua buah atom yang identik, masing-masing dengan elektron yang berada dalam keadaan yang sama, akan melepaskan foton-foton dengan panjang gelombang yang identik pula.

Sinar laser


Sinar laser sangat berbeda dengan sinar-sinar biasa. Sinar laser memiliki sifat-sifat berikut:

  • Sinar laser bersifat monokromatik, artinya sinar laser hanya mengandung satu panjang gelombang tertentu saja. Panjang gelombang sinar ini ditentukan oleh jumlah energi yang dilepaskan pada saat elektron jatuh ke tingkat orbit yang lebih rendah.
  • Sinar yang dilepaskan oleh laser bersifat koheren, artinya sinar laser “terorganisasi”, yaitu tiap-tiap foton penghasil sinar laser bergerak serempak secara teratur satu sama lain. Secara teknis, ini berarti bahwa semua foton memiliki muka gelombang yang sama dan menyatu satu sama lain.
  • Sinar laser sangat terarah. Sinar laser memiliki berkas yang sangat rapat, kuat dan terkonsentrasi. Bandingkan dengan sinar lampu biasa, yang memancarkan cahaya dalam berbagai arah, serta sinarnya sangat lemah dan menyebar.

Ketiga karakteristik sinar laser di atas dapat tercapai berkat adanya proses rangsangan emisi (emisi yang distimulasi). Peristiwa emisi terstimulasi ini tidak terjadi pada sumber sinar lampu biasa. Dalam sumber-sumber sinar seperti itu, semua atom-atom melepaskan foton-foton mereka secara acak. Sementara itu, pada emisi terstimulasi pemancaran foton terjadi secara terorganisasi.

Foton yang dilepaskan oleh atom memiliki panjang gelombang tertentu yang bergantung pada perbedaan energi antara keadaan eksitasinya dengan keadaan energi dasarnya. Jika foton ini (yang memiliki sebuah energi dan fase tertentu) bertemu dengan atom-atom lain yang memiliki sebuah elektron dengan keadaan eksitasi yang sama, maka emisi terstimulasi dapat terjadi. Foton yang pertama dapat menstimulasi atau memberikan emisi atomik sehingga foton yang terpancar berikutnya (dari atom yang kedua) bergetar dengan frekuensi yang sama dan dengan arah yang sama dengan foton yang datang.

Kunci lain dari laser adalah sebuah sepasang cermin, masing-masing satu di ujung medium penguat. Foton, dengan panjang gelombang dan fase yang sangat spesifik, memantul dari cermin cermin-cermin tersebut untuk bergerak pulang balik melalui medium penguat. Dalam proses gerakan pulang balik ini, foton akan banyak menstimulasi elektron-elektron lainnya untuk melakukan perpindahan energi ke tingkat yang lebih rendah dan dapat menyebabkan pemancaran lebih banyak foton yang memiliki panjang gelombang dan fase yang sama. Salah satu cermin pada ujung lain dari laser ini merupakan cermin setengah perak, yang berarti bahwa jenis cermin ini memantulkan sebagian sinar dan sebagian sinar lainnya dilewatkan. Sinar yang dilewatkan ini merupakan sinar laser.

Berikut ini mari kita lihat tiga komponen dalam perangkat laser sehingga dapat menghasilkan ketiga sifat di atas. Kita akan gambarkan cara kerja sebuah pemancar laser yang disebut laser rubi.

Laser Rubi


Laser rubi terdiri atas sebuah tabung cahaya, sebuah batang rubi dan dua cermin (satu cermin bersifat cermin setengah perak). Batang rubi merupakan medium penguat dan tabung cahaya memompa batang penguat tersebut (batang rubi). Beginilah laser dihasilkan dalam laser rubi itu:

1. Pertama-tama pemancar laser berada dalam keadaan tanpa penguatan (normal)


2. Tabung lampu kilat menyala dan menginjeksi cahaya ke dalam batang rubi. Cahaya ini mengeksitasi atom-atom rubi.


3. Beberapa dari atom rubi tersebut memancarkan foton


4. Sejumlah foton-foton ini bergerak dalam arah yang sejajar dengan sumbu rubi, sehingga foton tersebut terpantul bolak-balik pada cermin-cermin di ujung-ujung batang. Ketika bergerak melalui kristal rubi, foton ini menstimulasi pemancaran foton pada atom lain:


5. Sinar yang bersifat monokromatik, berfase tunggal, sejajar, meninggalkan rubi melalui cermin setengah perak, dan itulah laser!


Gambar berikut ini menunjukkan apa yang terjadi sesungguhnya pada laser tiga tingkat.


Jenis-jenis laser


Terdapat banyak jenis-jenis laser. Laser intensitas sedang bisa berupa padatan, gas, cairan atau semikonduktor. Laser umumnya ditentukan oleh jenis material penguat yang digunakan:


  • Laser zat padat menggunakan material penguatan yang tersebar dalam sebuah matriks padatan (seperti rubi atau neodimium: laser ytrium-aluminium garnet, atau laser YAG). Laser neodimium: laser YAG memancarkan sinar inframerah dengan panjang gelombang 1064 nanometer.
  • Laser gas (helium dan helium-neon, HeNe, merupakan laser gas yang paling lazim) biasanya menghasilkan sinar merah yang tampak. Laser CO2 memancarkan energi dalam daerah dekat inframerah, yang sering digunakan untuk memotong material-material keras.
  • Laser excimer (nama excimer berasal dari excited and dimers) menggunakan gas-gas reaktif, seperti klorin dan flourin, yang dicampur dengan gas-gas lembam seperti argon, kripton, atau xenon. Pada saat distimulasi secara listrik, maka sebuah molekul pseudo (dimer) terbentuk. Pada saat diperkuat, dimer akan menghasilkan cahaya dalam rentang warna ultraviolet.
  • Laser warna menggunakan pewarna organik yang kompleks, seperti rhodamin 6G, dalam larutan atau suspensi sebagai medium penguat. Laser jenis ini dapat diatur-atur sehingga memiliki banyak rentang warna.
  • Laser semikonduktor, sering kali disebut laser diode, bukanlah laser zat padat. Alat elektronik ini umumnya sangat kecil dan mengonsumsi daya yang rendah. Laser jenis ini dapat disusun berlarik-larik membentuk sebuah larik yang besar, seperti sumber penulis dalam beberapa printer laser atau pemutar CD.


Panjang gelombang sinar laser


Sebuah laser rubi merupakan jenis laser zat padat dan memancarkan sinar pada panjang gelombang 694 nm. Sejumlah medium laser lainnya dapat dipilih sesuai dengan panjang gelombang pancaran yang diinginkan, daya yang dibutuhkan, dan durasi pulsanya. Beberapa laser memiliki daya yang sangat kuat, misalnya laser CO2, yang dapat memotong baja. Alasan mengapa laser CO2 sangat berbahaya adalah karena laser ini memancarkan cahaya dalam daerah inframerah dan daerah gelombang mikro dari spektrum gelombang. Radiasi inframerah akan menghasilkan panas, dan laser ini pada dasarnya akan melelehkan benda-benda yang menjadi sasarannya.

Laser lainnya, seperti laser diode, sangat lemah dan digunakan dewasa ini pada pointer laser saku. Laser ini memancarkan sebuah berkas sinar merah yang memiliki panjang gelombang antara 630 nm – 680 nm. Laser digunakan dalam industri dan penelitian untuk melakukan banyak hal, termasuk penggunaan laser dengan sinar intensitas tinggi untuk mengeksitasi molekul lain untuk dapat mengamati apa yang terjadi pada molekul-molekul tersebut.

Berikut ini beberapa jenis laser dan panjang gelombang sinar yang dipancarkannya:

Jenis-jenis laser dan panjang gelombangnya
Jenis laserPanjang gelombang (nm)
Argon flouride (UV) 193
Krypton fluoride (UV) 248
Xenon chloride (UV) 308
Nitrogen (UV) 337
Argon (biru) 488
Argon (hijau) 514
Helium neon (hijau) 543
Helium neon (merah) 633
Rhodamine 6G dye (dapat diatur-atur) 570-650
Ruby (CrAlO3) (merah) 694
Nd:Yag (dekat inframerah) 1064
Carbon dioxide (jauh dari inframerah) 10600

Klasifikasi Laser


Laser digolongkan menjadi empat kelompok bergantung pada potensi bahaya biologis yang ditimbulkannya. Pada saat Anda melihat sebuah laser, maka laser tersebut seharusnya diberi label dengan salah satu dari keempat label berikut:

Kelas I – laser kelas ini tidak dapat memancarkan radiasi laser pada tingkat membahayakan yang diketahui.

Kelas IA – ini adalah label untuk laser yang tidak dimaksudkan untuk dilihat (disorotkan ke mata), misalnya pada scanner laser supermarket. Batas daya teratas untuk laser kelas IA adalah 4,0 mW.

Kelas II – merupakan laser sinar tampak berdaya rendah yang pancaran sinarnya di atas tingkat laser kelas I tetapi daya yang dipancarkannya di atas 1 mW.

Kelas IIIA- merupakan laser berdaya menengah (sekitar 1 -5 mW), yang dapat berbahaya jika berkas sinarnya dipandang secara berhadap-hadapan. Hampir semua laser pointer merupakan kelas ini.

Kelas IIIB – merupakan laser berdaya menengah di atas kelas IIIA.

Kelas IV – merupakan laser berdaya tinggi (kurang lebih 500 mW, dengan pulsa gelombang 10 J/cm2). Laser ini berbahaya untuk dilihat dalam situasi apapun (dilihat secara langsung atau merupakan difusi berkasnya saja). Laser ini juga berpotensi menyebabkan kebakaran dan luka yang serius pada kulit. Fasilitas dengan laser kelas IV membutuhkan pengendalian yang ketat.


Sumber: www.howstuffworks.com