Ilmu-Ilmu Fisik

MASER Berlian Dapat Bekerja di Temperatur Ruang!

MASER atau microwave amplification by stimulated emission of radiation adalah alat yang dapat menghasilkan gelombang mikro yang koheren melalui mekanisme amplifikasi optik. Gelombang ini dihasilkan dari suatu emisi yang berfungsi sebagai stimulus dari proses amplifikasi. Proses ini menghasilkan gelombang yang koheren, kontinu dan memiliki intensitas yang tinggi. MASER secara teori memiliki prinsip kerja yang sama dengan LASER (alat yang dapat menghasilkan cahaya koheren pada panjang gelombang tertentu dengan intensitas kuat). Pemanfaatan LASER tentu sudah tidak asing, seperti pada pointer.

Prinsip kerja MASER dan LASER adalah sebagai berikut: pada material gain media, populasi elektron akan terbalik yaitu elektron akan menempati tingkat energi lebih tinggi (berkebalikan pada material pada umumnya, di mana elektron akan lebih senang berada pada tingkat energi lebih rendah). Selanjutnya, ketika material distimulasi dengan emisi foton pada panjang gelombang tertentu yang memiliki energi hv dimana h adalah konstanta Planck dan v adalah frekuensi foton, maka elektron yang berada di tingkat energi lebih tinggi (E2) akan melepaskan energinya dalam bentuk foton yang identik dengan foton stimulus dan elektron ini turun ke tingkat energi lebih rendah (E1), lihat Gambar 1. Proses tersebut akan berulang karena jumlah elektron sangat banyak pada tingkat energi lebih tinggi dan masing-masing dari elektron tersebut akan memberikan satu foton identik sehingga akan dihasilkan banyak foton.

Prinsip Kerja Laser dan Maser

Gambar 1 Prinsip Kerja Laser dan Maser

Perlu diketahui bahwa proses ini terjadi di dalam suatu rongga metal yang berfungsi sebagai cermin yang dapat merefleksikan cahaya atau gelombang elektromagnetik dengan efisien sehingga ketika sebuah elektron memberikan sebuah foton, maka foton tersebut tidak akan langsung dilepaskan ke lingkungan medan jauh (far field) melainkan akan diperangkap hingga rongga memiliki jumlah foton tertentu dimana saat itu rongga sudah tidak mampu menahan foton-foton tersebut. Komponen kunci pada MASER dan LASER adalah gain media.

LASER sudah diaplikasikan di banyak area karena LASER sangat mudah dibuat dan direalisasikan pada suhu ruang dan tekanan atmosfer. Sementara itu, MASER, selama ini hanya bisa dioperasikan pada suhu yang sangat rendah (beberapa Kelvin) dan beberapa diantaranya memerlukan kondisi vakum yang tinggi. Namun, masalah yang dihadapi MASER dapat diatasi oleh peneliti-peneliti dari Imperial College London, University of College London dan juga University of Saarland dengan menggunakan berlian (diamond) yang memiliki cacat (defect) berupa nitrogen (nitrogen vacancy, NV) dengan ukuran skala milimeter.

Peneliti utama penemuan ini, Jonathan D. Breeze, menggunakan berlian yang memiliki NV karena properti fisis yang dimilikinya; seperti waktu hidup polarisasi spin yang panjang sekitar 5 milisekon,  waktu dephasing spin (waktu dimana spin kehilangan fasenya sehingga tidak koheren lagi) yang panjang (>1 mikrosekon), konduktivitas thermal yang tertinggi di antara semua material dan tingkat energi dasar triplet yaitu energi -1, 0 dan +1 yang bisa dipolarisasi dengan menggunakan pompa optik pada panjang gelombang sekitar 532 nanometer (cahaya hijau). Pada temperatur ruang dan ketiadaan medan magnet, elektron menempati tingkat energi dasar sesuai dengan kaidah statistik Boltzman dimana sebagian besar elektron akan berada pada tingkat energi dasar 0 dan beberapa menempati tingkat energi dasar ±1 yang sedikit lebih tinggi.

Dengan mengaplikasikan optical pump, tingkat energi dasar triplet pada NV akan terpolarisasi sehingga 80% elektron akan berada pada tingkat energi 0. Selanjutnya inversi populasi dihasilkan dengan mengaplikasikan medan magnet sepanjang salah satu axis pada NV, tanda panah merah pada Gambar 2. Medan magnetik ini mengakibatkan tingkat energi -1 menjadi lebih rendah dibanding tingkat energi 0 akibat dari fenomena interaksi Zeeman. Hal ini mengakibatkan inversi populasi terjadi dan dengan menggunakan laser dengan daya minimal 138 miliwatt, gelombang mikro koheren dapat dihasilkan secara berkelanjutan akibat dari relaksasi elektron-elektron dari tingkat energi 0 ke -1.

Sumber: Breeze, J.D. et al. Continuous-wave room-temperature diamond maser. Nature. 2018

Gambar 2 Berlian dengan Cacat Nitrogen (N berwarna biru) yang menghasilkan kekosongan di tengah-tengah sel unit berlian (atom berlian digambarkan dengan bola hitam). Medan magnetik diaplikasikan pada arah yang ditunjukkan oleh tanda panah merah.

Sebelumnya pada 2012, peneliti dari grup yang sama telah merealisasikan MASER pada temperatur ruang dengan menggunakan gain media berupa material organik bernama p-terphenyl  yang penyusun utamanya yaitu atom karbon, hidrogen dan oksigen. Keuntungan dengan menggunakan atom-atom tersebut adalah adanya interaksi spin-orbit yang lemah sehingga spin memiliki waktu hidup yang relatif panjang. Namun, kekurangan dari penggunaan material organik adalah tidak dapat bertahan ketika dipancarkan laser yang berfungsi sebagai pompa optik akibat titik leleh yang rendah. Material organik ini akan menguap ketika dipancarkan laser sehingga tidak bisa menghasilkan gelombang mikro yang berkelanjutan dan stabil.

Konfigurasi dari MASER ini dapat dilihat pada Gambar 3 yaitu rongga tembaga ditempatkan di antara kutub-kutub elektromagnetik yang menghasilkan medan magnet statis dan diletakkan secara horizontal sehingga eksitasi optik dapat mengakses rongga tersebut. Berlian ditempatkan di dalam cincin safir. Antena (coupling antenna) diperlukan untuk memancarkan emisi gelombang mikro ke medan jauh di mana pengamat bisa mendeteksi gelombang tersebut. Pada temperatur ruang, MASER dapat bekerja sepanjang 10 jam tanpa degradasi pada daya gelombang yang dihasilkan. Ketika daya pompa dinaikkan menjadi 400 miliwatt, MASER hanya mengalami kenaikan temperatur sebesar 35 °C yang berarti alat ini sangat stabil untuk operasi jangka panjang dan daya pompa yang tinggi.

bim3

Gambar 3 Skematik MASER berlian

Oleh karena frekuensi gelombang mikro yang dihasilkan sangat stabil maka MASER yang direalisaikan dengan metode ini dapat diaplikasikan pada banyak area seperti spektroskopi dengan presisi tingkat tinggi, amplifikasi gelombang mikro untuk komunikasi ruang angkasa, dan deteksi objek ruang angkasa. Alat ini diprediksi mampu memberi terobosan baru di bidang metrologi dan komunikasi gelombang mikro. Selain itu, alat ini juga dapat menjadi media untuk mempelajari fisika kuantum, komputasi dan sensor kuantum.

Sumber: J.D. Breeze et al., Continuous-wave room-temperature diamond maser, Nature (2018).

1 reply »

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s