Selama beberapa dekade, mengecilkan perangkat fotonik jauh lebih sulit dibandingkan mengecilkan komponen elektronik. Tantangannya datang ke fisika. Cahaya tidak dapat dengan mudah dibatasi dalam ruang yang sangat kecil karena prinsip ketidakpastian menghubungkan batasannya dengan panjang gelombangnya. Dalam cahaya tampak dan inframerah dekat, panjang gelombang ini bisa mencapai seribu kali lebih besar daripada panjang gelombang De Broglie yang digunakan dalam sirkuit elektronik. Akibatnya, chip fotonik tetap relatif besar dan sistem pencitraan optik menghadapi batasan resolusi yang ketat.
Para ilmuwan telah mengeksplorasi plasmonik sebagai solusi yang mungkin. Pendekatan ini menggunakan logam untuk memampatkan cahaya ke dalam ruang yang lebih kecil dari panjang gelombangnya. Namun, logam menghasilkan panas yang signifikan melalui disipasi energi, yang merupakan hambatan besar bagi teknologi fotonik yang efisien dan terukur.
Pada tahun 2024, peneliti yang dipimpin oleh Ren-Min Ma dari Universitas Peking di Tiongkok membuat terobosan besar (Alam 632, 287-293 (2024)). Tim mengembangkan apa yang mereka sebut persamaan dispersi tunggal, sebuah kerangka teoritis baru yang menunjukkan bahwa cahaya dapat dibatasi pada skala yang sangat kecil dengan menggunakan bahan dielektrik lossless, bukan logam. Karena metode ini bergantung sepenuhnya pada dielektrik, metode ini menghindari kehilangan panas yang dibatasi oleh sistem plasmonik dan dapat membuka jalan bagi perangkat fotonik yang kompak dan hemat energi.
Penemuan fungsi gelombang “berbentuk narwhal”.
Dalam sebuah artikel yang baru-baru ini diterbitkan di eLighttim peneliti yang sama menjelaskan asal mula pengekangan cahaya ekstrem ini. Menurut para peneliti, hal ini muncul dari kelas mode eigen elektromagnetik baru yang dikenal sebagai fungsi gelombang narwhal.
Mode yang tidak biasa ini menggabungkan dua perilaku penting. Mendekati singularitas, medan elektromagnetik mengalami peningkatan hukum daya lokal. Pada jarak yang lebih jauh, bidang tersebut memudar dengan cepat karena peluruhan eksponensial secara keseluruhan. Bersama-sama, sifat-sifat ini memungkinkan cahaya untuk fokus dan memampatkan jauh melampaui batas fisik tradisional.
Dengan menggunakan konsep ini, tim merancang dan secara eksperimental mendemonstrasikan resonator dielektrik tiga dimensi tunggal yang mampu membatasi cahaya di bawah batas difraksi di ketiga dimensi spasial.
Rekam kurungan ringan
Para peneliti menggunakan pengukuran pemindaian jarak dekat untuk mengamati secara langsung aksi fungsi gelombang berbentuk narwhal. Pengukuran mereka dengan jelas menunjukkan perkiraan pertumbuhan hukum pangkat di dekat singularitas serta peluruhan eksponensial yang lebih jauh.
Pengamatan eksperimental sangat cocok dengan prediksi teoretis dan simulasi 3D penuh. Sistem mencapai volume mode ultra-kecil hanya 5 × 10-7 λ3mewakili tingkat pengurungan cahaya yang luar biasa.
Mikroskop optik jenis baru
Tim juga menggunakan lokalisasi ekstrim fungsi gelombang berbentuk narwhal untuk menciptakan teknik mikroskop optik pemindaian jarak dekat baru yang disebut mikroskop optik tunggal.
Dengan menarik mode eigen dari rongga dielektrik tunggal, mikroskop menghasilkan medan elektromagnetik yang sangat terlokalisasi. Perubahan kecil pada struktur di sekitarnya menyebabkan perubahan resonansi yang terukur, sehingga memungkinkan sistem mendeteksi detail yang sangat halus.
Para peneliti mendemonstrasikan resolusi spasial λ/1000 yang belum pernah terjadi sebelumnya dan berhasil memvisualisasikan pola subwavelength yang dalam, termasuk huruf “PKU” dan “SFM.”
Munculnya “singulonik”
Studi tersebut menunjukkan bahwa persamaan dispersi tunggal menghasilkan fungsi gelombang berbentuk narwhal yang mampu memerangkap cahaya pada skala yang sangat kecil dalam bahan dielektrik lossless.
Para peneliti mengatakan penemuan ini menjadi dasar bagi apa yang mereka sebut singulonik, kerangka nanofotonik baru yang berfokus pada pengendalian dan pembatasan cahaya jauh di bawah batas konvensional tanpa disipasi energi. Kemajuan ini dapat mendukung teknologi pemrosesan informasi yang sangat efisien, menciptakan peluang baru dalam optik kuantum, dan memperluas kemampuan pencitraan resolusi super.
