Nobel Fisika 2005 Untuk Bidang Optika (Bagian II)

Terry Mart


Nobel Fisika 2005 Untuk Bidang Optika Nobel Fisika 2005 Untuk Bidang Optika

Sejarah perkembangan fisika memperlihatkan bahwa salah satu pemicu penemuan baru adalah meningkatnya akurasi pengukuran. Penemuan partikel-partikel baru hampir selalu terjadi setelah adanya akselerator partikel berenergi lebih tinggi dan detektor yang lebih akurat, dengan kata lain sebuah mikroskop partikel dengan resolusi lebih tinggi. Dalam bidang fisika atom (juga fisika nuklir dan partikel) salah satu cara untuk menyibak rahasia strukturnya adalah melalui spektroskopi. Spektroskopi adalah pengukuran spektrum-spektrum yang dihasilkan oleh atom (nukleus atau pun partikel) akibat transisi-transisi kuantum. Jarak antar garis-garis spektrum serta ketebalannya dapat memberikan informasi struktur tingkat-tingkat energi serta peluang transisi. Dengan demikian spektroskopi yang sangat akurat akan benar-benar membantu usaha untuk mengetahui struktur penyusun dasar alam semesta.

Nobel fisika tahun ini sebagian diberikan untuk menghargai jasa dua ilmuwan yang berhasil mengembangkan spektroskopi atom super akurat berbasiskan laser. Mereka adalah John L. Hall (warganegara Amerika) dan Theodor Haensch (warganegara Jerman). Spektroskopi akurat ini pada dasarnya dikembangkan saat kedua fisikawan tersebut sedang berusaha menjawab dua pertanyaan paling mendasar di dalam fisika, yaitu berapa panjang sebenarnya satu meter serta berapa lama selang waktu satu detik.

Dahulu di dalam buku pelajaran fisika untuk SMP dan SMA kita diperkenalkan dengan satuan SI dengan konvensi satu meter yang diberikan oleh panjang sebuah batang pengukur standar yang disimpan di Paris. Konvensi ini sudah ditinggalkan ilmuwan sejak tahun 1960, karena definisi satu meter yang lebih akurat dapat diperoleh dari sejumlah panjang gelombang garis spektum tertentu dalam atom krypton. Beberapa tahun kemudian diperkenalkan juga definisi waktu satu detik yang lebih akurat yang sama dengan sejumlah tertentu osilasi frekuensi resonansi dalam atom cesium. Kedua definisi ini membuka jalan untuk menentukan kecepatan cahaya dalam ruang vakum secara akurat melalui perkalian antara panjang gelombang dan frekuensi.

John Hall adalah ilmuwan yang berjasa dalam mengembangkan laser dengan tingkat kestabilan frekuensi ekstrim tinggi. Dengan menggunakan laser tersebut bersama koleganya ia berhasil mengukur kecepatan cahaya tanpa cacat (koreksi), yaitu 299.792.458 meter per detik. Sebagai konsekuensinya, satu meter dapat didefinisikan sebagai jarak yang ditempuh cahaya selama 1/299.792.458 detik. Namun angka-angka tersebut akurasinya sangat bergantung pada definisi ukuran satu meter. Selain itu, pengukuran yang menggunakan frekuensi optik sekitar 1015 Hertz (satu juta GigaHertz) ini ternyata sangat sulit, karena jam atom cesium sendiri memiliki osilasi sekitar 100.000 kali lebih lambat. Saat itu disimpulkan perlunya metode pengukuran yang lebih sederhana tanpa mengorbankan akurasi.

Pengukuran frekuensi dengan akurasi ekstrim tinggi membutuhkan sebuah laser yang dapat memancarkan sejumlah besar osilasi dengan frekuensi koheren. Jika osilasi-osilasi tersebut memiliki frekuensi sedikit berbeda, interferensi akan menghasilkan pulsa-pulsa yang ekstrim pendek seperti terlihat pada Gambar 1. Semakin banyak frekuensi yang dapat dikunci, semakin pendek pulsa yang dihasilkan. Sebuah pulsa sepanjang 5 femto-detik dapat mengunci sekitar satu juta frekuensi berbeda. Karena pulsa laser memancarkan frekuensi yang sangat tajam, aplikasi dalam spektroskopi laser beresolusi tinggi jelas tidak mustahil. Hal ini telah menjadi perhatian Theodor Haensch sejak tahun 1970an, namun kemajuan berarti baru terjadi pada tahun 1999 saat ia menyadari bahwa laser dengan pulsa sangat pendek yang tersedia saat itu dapat dipakai untuk mengukur frekuensi optik terhadap jam cesium. Hal ini dimungkinkan karena laser tersebut memiliki sisir frekuensi yang mencakup seluruh daerah cahaya tampak. Sisir frekuensi ini (lihat Gambar 1) berfungsi sebagai batang penggaris dengan skala ekstrim akurat. Haensch mencoba mengembangkan teknik ini, namun problema pergeseran frekeuensi baru terselesaikan setelah Hall berhasil menunjukkan solusinya pada tahun 2000. Selanjutnya Haensch dan Hall bekerjasama dalam menghaluskan teknik ini sehingga terciptalah instrumen pengukur frekuensi yang sederhana dan tersedia secara komersial.




Gambar 1. Prinsip dasar dari teknik sisir frekuensi. Gambar bagian atas memperlihatkan secara skematis bagaimana pulsa-pulsa laser dibangkitkan. Gambar bagian bawah memperlihatkan distribusi spektral pulsa membentuk sisir frekuensi dengan jarak antar garis yang dapat ditentukan secara akurat. Meski demikian titik nol frekuensi tersebut, yang dinyatakan dengan pergeseran f0, tidak diketahui pasti. Dengan menggunakan teknik optik non-linier, frekuensi spektrum dapat digandakan. Frekuensi terendahnya dapat dibandingkan dengan frekuensi tertinggi dari spektrum asli, sehingga pergeseran f0 dapat dihitung. Gambar diambil dari situs resmi Nobel.

Mungkin pertanyaan yang muncul adalah apa yang dapat dihasilkan instrumen pengukur frekuensi dengan akurasi ekstrim ini di masa depan. Contoh sederhana adalah akurasi pengukuran dapat membuat sistem navigasi berbasis satelit (GPS) menjadi lebih sempurna. Sistem navigasi yang ekstrim akurat sangat diperlukan dalam perjalanan ruang angkasa yang sangat jauh atau dalam pengukuran gelombang gravitasi dengan menggunakan sederetan satelit. Pengukuran spektrum ekstrim akurat juga sangat dibutuhkan oleh penelitian simetri dalam fisika. Simetri dalam fisika menyatakan bahwa sifat-sifat partikel dan anti-partikel haruslah sama kecuali bilangan kuantum mereka. Beberapa tahun yang lalu atom-atom anti-hidrogen berhasil diproduksi di laboratorium CERN Eropa. Perbedaan antara spektrum hidrogen dan spektrum anti-hidrogen, jika berhasil diobservasi, dapat mengkonfirmasi cacat simetri di dalam alam. Eksperimen semacam ini tentu saja tidak dapat dilakukan tanpa bantuan spektroskopi ekstrim akurat. Selain itu, penelitian yang luar biasa akurat ini dapat memberi informasi apakah konstanta-konstanta universal dalam fisika benar-benar konstan atau bervariasi terhadap waktu.

(Terry Mart, staf pengajar fisika FMIPA UI)