Lebih dari 50 tahun yang lalu, fisikawan Sir Roger Penrose mengajukan gagasan yang luar biasa: Dalam kondisi yang tepat, energi dapat diambil dari lubang hitam yang berputar dengan cepat. Menurut konsepnya, sebuah partikel yang memasuki ergosfer lubang hitam, suatu wilayah di mana ruang-waktu didorong oleh rotasi benda, dapat terbelah menjadi dua. Satu fragmen akan jatuh ke dalam lubang hitam sementara yang lain akan lepas, membawa lebih banyak energi daripada partikel aslinya. Belakangan, fisikawan Yakov Zel’dovich memperluas konsep ini, memperkirakan bahwa gelombang yang berinteraksi dengan objek yang berputar cepat juga dapat memperoleh energi dan menguatkan.
Kini, para peneliti di Advanced Science Research Center (CUNY ASRC) di CUNY Graduate Center telah mendemonstrasikan pendekatan eksperimental yang terinspirasi oleh teori-teori lama ini. Tulis di jurnal AlamTim menunjukkan bahwa amplifikasi gelombang dapat dicapai dengan menggunakan perangkat yang mensimulasikan rotasi ekstrim tanpa rotasi fisik.
Rotasi sintetis menciptakan kembali fisika ekstrem
Alih-alih memutar suatu objek secara mekanis, para peneliti membangun perangkat frekuensi radio yang sifatnya berubah dengan cepat dalam ruang dan waktu. Sistem yang dirancang dengan cermat ini menciptakan ilusi putaran ultra-cepat, mencapai kecepatan putaran efektif yang jauh melampaui apa yang dapat dicapai oleh sistem mekanis konvensional. Dengan mengganti gerakan fisik dengan rotasi sintetik, para peneliti mengatasi tantangan yang membatasi studi eksperimental fisika rotasi ekstrem selama beberapa dekade.
“Pendekatan kami memfasilitasi metode baru interaksi gelombang-materi di mana gelombang dengan sifat rotasi yang dipilih mengekstrak energi dari rotasi sintetik yang dirancang waktu, menghasilkan suatu bentuk amplifikasi broadband selektif,” kata peneliti utama Andrea Alù, Profesor Terhormat dan Profesor Fisika Einstein di CUNY Graduate Center dan direktur pendiri CUNY ASRC Photonics Initiative.
Penulis utama Hadiseh Nasari, seorang peneliti postdoctoral di CUNY ASRC Photonics Initiative, mengatakan eksperimen ini mengubah konsep teoritis lama menjadi alat penelitian praktis.
“Eksperimen yang berhasil ini memindahkan gagasan tentang dinamika rotasi ekstrem dari teori ke praktik dan menciptakan platform eksperimental serbaguna untuk mengeksplorasi berbagai fenomena di persimpangan astrofisika, fisika gelombang, dan ilmu kuantum,” kata Nasari. “Pekerjaan ini mempunyai implikasi terhadap kemajuan ilmu pengetahuan dasar dan komunikasi, optik dan fotonik.”
Bagaimana eksperimen itu berhasil
Para peneliti berusaha menjawab pertanyaan mendasar: Mungkinkah gelombang elektromagnetik yang berinteraksi dengan perangkat yang benar-benar diam berperilaku seolah-olah mereka bertemu dengan objek yang berputar dengan kecepatan sangat cepat dan memperoleh energi dari gerakan sintetik ini?
Untuk menyelidikinya, mereka membuat cincin resonator elektronik yang propertinya disesuaikan dengan cepat dalam urutan waktu yang cermat. Meskipun perangkat kerasnya sendiri tidak pernah berpindah, perubahan waktu ini menghasilkan pola pergerakan di sekitar ring. Hasilnya, gelombang elektromagnetik justru merasakan sistem seolah-olah berputar dengan kecepatan luar biasa.
“Gelombang dengan karakteristik rotasi yang sesuai mengekstraksi energi dari sistem dan diperkuat, mereplikasi fisika penting dari proses Penrose-Zel’dovich,” kata rekan penulis utama Hady Moussa, mantan mahasiswa doktoral CUNY ASRC Photonics Initiative. “Pendekatan kami bergantung pada metamaterial yang dirancang untuk mengendalikan perambatan gelombang.”
Potensi penerapan di luar fisika lubang hitam
Karena rotasi sintetis dapat meniru gerakan melebihi kecepatan cahaya, para peneliti kini memiliki platform laboratorium terkontrol untuk mengeksplorasi rezim fisik yang tidak mungkin dipelajari secara langsung. Pekerjaan ini menciptakan peluang baru untuk mempelajari fisika ekstrem sambil membuka jalan bagi kemajuan masa depan dalam komunikasi nirkabel, optik, fotonik, dan teknologi kuantum.
Para peneliti mencatat bahwa diperlukan upaya tambahan sebelum ide-ide ini dapat diterjemahkan ke dalam perangkat praktis. Mereka juga percaya bahwa prinsip yang sama dapat diterapkan pada sistem fotonik dan kuantum, membuka kemungkinan baru untuk mengendalikan cahaya, memproses informasi, dan mempelajari perilaku gelombang yang terinspirasi oleh beberapa lingkungan paling ekstrem di alam semesta.
Penelitian ini didukung oleh Departemen Pertahanan AS, US National Science Foundation dan Simons Foundation.
