Para ilmuwan di Universitas Teknologi Nanyang di Singapura (NTU Singapura) telah menemukan cara yang lebih sederhana untuk menghasilkan struktur cahaya yang tidak biasa yang dikenal sebagai skyrmion optik dengan menghidupkan kembali eksperimen optik klasik yang telah dilakukan lebih dari 200 tahun lalu.
Skyrmion optik adalah pola berputar kecil dan stabil yang terbentuk berdasarkan sifat cahaya. Strukturnya sering disamakan dengan duri landak. Karena mereka berpotensi menyandikan dan menyimpan informasi, para peneliti melihatnya sebagai landasan yang menjanjikan untuk penyimpanan data, komunikasi, dan teknologi komputasi di masa depan.
Alih-alih mengandalkan metamaterial yang mahal dan sangat canggih yang secara tradisional dibutuhkan untuk menghasilkan skyrmion optik, tim NTU menciptakannya dengan menyinari laser ke piringan melingkar kecil. Pendekatan ini menawarkan cara yang lebih sederhana untuk memproduksi, mempelajari dan mengendalikan struktur cahaya yang kompleks ini.
Hasilnya, dipublikasikan di jurnal Optikdipimpin oleh Asisten Profesor Nanyang Shen Yijie dari Sekolah Ilmu Fisika dan Matematika dan Sekolah Teknik Elektro dan Elektronika di NTU.
“Yang luar biasa adalah skyrmion optik kini dapat dihasilkan menggunakan efek sederhana di mana cahaya membelok di sekitar suatu objek, tanpa bergantung pada metamaterial buatan yang rumit dan mahal atau teknik yang sangat terspesialisasi,” jelas Asisten Profesor Shen.
“Hal ini dapat membuat skyrmion optik lebih mudah diakses oleh para peneliti. Dengan menurunkan hambatan teknis dalam membuat dan mempelajarinya, metode ini membuka kemungkinan baru bagi para ilmuwan untuk mempelajari bagaimana mereka dapat digunakan dalam penelitian masa depan di bidang optik, material, dan komputasi.”
Fenomena cahaya klasik menemukan tujuan baru
Terobosan ini didasarkan pada titik Poisson, sebuah fenomena optik terkenal di mana titik terang muncul di tengah bayangan benda melingkar ketika disinari oleh sumber cahaya koheren seperti laser.
Titik Poisson memainkan peran penting dalam perdebatan awal abad ke-19 mengenai sifat cahaya. Pada saat itu, para ilmuwan bertanya-tanya apakah cahaya hanya merambat sebagai partikel dalam garis lurus atau apakah ia berperilaku seperti gelombang yang dapat membelok dan merambat.
Teori gelombang memperkirakan bahwa titik terang akan muncul di tengah bayangan piringan, di mana orang akan memperkirakan kegelapan total. Pengamatan titik Poisson memberikan bukti kuat bahwa cahaya mengalami difraksi, artinya cahaya dibelokkan dan menyebar saat melewati objek atau melalui lubang kecil.
Empat jenis Skyrmions optik sekaligus
Para peneliti juga menemukan bahwa konfigurasi titik Poisson mereka secara alami menghasilkan hingga empat pola medan topologi terkait secara bersamaan.
Ini termasuk skyrmion spin, skyrmion Stokes, skyrmion medan listrik, dan skyrmion medan magnet. Putaran mengacu pada sifat perputaran cahaya, sedangkan parameter Stokes menggambarkan polarisasi atau arah getaran gelombang cahaya saat merambat.
Menggabungkan keempat jenis ini dapat memberi para ilmuwan kesempatan unik untuk membandingkan bagaimana skyrmion optik yang berbeda terbentuk, berevolusi, dan berinteraksi dalam bidang cahaya yang sama.
Simulasi komputer menunjukkan struktur tersebut sebagai susunan panah yang berputar-putar yang menggambarkan bagaimana sifat cahaya yang berbeda berubah arah melintasi titik Poisson.
Cara yang lebih sederhana untuk mengontrol cahaya kompleks
Cahaya memiliki banyak karakteristik yang dapat dimanipulasi oleh peneliti, termasuk intensitas, fase, polarisasi, putaran, serta vektor medan listrik dan magnet.
Properti ini dapat disusun menjadi struktur topologi, yaitu pola yang tetap stabil bahkan ketika diregangkan atau diubah bentuknya. Dengan menyesuaikan kondisi yang membentuk medan cahaya, para ilmuwan mungkin dapat mengontrol ukuran, bentuk, dan perilaku skyrmion optik secara tepat.
Asisten Profesor Shen berkata: “Di titik cahaya yang kami buat, beberapa jenis vektor optik dapat membentuk struktur topologi pada saat yang bersamaan. Komponen cahaya yang berbeda ini terkait erat, namun tidak serta merta membentuk model topologi yang identik.
“Mampu memproduksi dan membandingkan beberapa skyrmion dalam satu sistem dapat membantu peneliti menemukan hubungan baru antara sifat listrik, magnet, dan fisik cahaya lainnya.”
Aplikasi potensial dalam komputasi dan fotonik
Skyrmions pertama kali diusulkan dalam fisika partikel dan nuklir sebelum kemudian menjadi bidang studi penting dalam fisika benda terkondensasi dan bahan magnetik. Baru-baru ini, para ilmuwan mulai mempelajari skyrmion optik sebagai struktur mirip partikel stabil yang ada di medan cahaya.
Metode sebelumnya dalam memproduksi skyrmion optik mengandalkan metamaterial, yaitu struktur mikroskopis yang dirancang secara artifisial untuk memanipulasi cahaya dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh material konvensional.
Dengan mengganti sistem kompleks ini dengan pengaturan optik yang lebih sederhana, pekerjaan tim NTU dapat membuat penelitian optik pada skyrmion lebih mudah diakses. Hasilnya juga memberikan dasar untuk studi cahaya topologi di masa depan dan dapat berkontribusi pada kemajuan dalam fotonik, material canggih, pemrosesan informasi, dan komputasi generasi mendatang.
