Oleh: Dr. Mohd Faudzi Umar
Pensyarah Fizik
Universiti Pendidikan Sultan Idris
3 Oktober 2023, Akademi Sains Diraja Sweden di Stockholm mengadakan sidang media bagi mengumumkan Hadiah Nobel Fizik 2023 [1]. Anugerah kali ini adalah tentang elektron dalam denyar cahaya dengan tema, “bagi teknik ujikaji yang menjanakan dedenyut attosaat cahaya bagi kajian dinamik elektron dalam jirim”. Ahli fizik yang menerima anugerah ini adalah, Pierre Agostini dari The Ohio State University, Amerika Syarikat, Ferenc Krausz dari Institut Max Planck Optik Kuantum, Jerman dan Anne L’Huillier dari Universiti Lund, Sweden. Sidang media tersebut berkesempatan menemuramah salah seorang penerima hadiah iaitu Profesor L’Huillier. Dalam lintas langsung tersebut, dimaklumkan bahawa beliau sedang memberi kuliah, kedengaran sedikit kelu dan tergamam. Tambahan pula, beliau merupakan penerima Hadiah Nobel Fizik wanita kelima selepas Anrea Ghez pada tahun 2020 [2]. Sebelum ini, L’Huillier dan Krausz juga menerima Hadiah Wolf Fizik 2022, di mana menjadi petanda bakal menerima Hadiah Nobel.
Atto (atau simbolnya a) adalah awalan unit bernilai 1 dibahagikan 1,000,000,000,000,000,000 iaitu 1 attosaat; 1as=0.000000000000000001saat. Kajian dedenyut attosaat cahaya pada skala yang sangat kecil adalah skala dunia elektron dalam atom. Oleh itu, kedinamikan elektron dalam jirim boleh diterokai. Agostini, Krausz dan L’Huillier secara berasingan menemui dan membangunkan teknik mengukur tempoh denyutan dan menjana deretan dedenyut dan denyut individu terasing yang digunakan dalam kajian asas dan teknologi pemangkin, elektronik dan perubatan. Teknologi dedenyut attosaat cahaya mampu memberikan petikan perubahan berlaku dalam atom, di mana dalam perubatan ia berkeupayaan mengesan penyakit dalam sampel darah dengan lebih baik. Dalam elektronik pula, fizik attosaat penting bagi memahami dan mengawal kelakuan elektron dalam bahan.
Pada awalnya, L’Huillier menemui kesan baharu daripada interaksi laser dengan atom dalam gas [3], iaitu munculnya banyak nada lampau berbeza (penerangan mudah boleh dirujuk dalam Rajah 2). Setiap nada lampau tersebut adalah gelombang cahaya dengan bilangan kitaran diberikan bagi setiap kitaran dalam laser. Hal ini disebabkan oleh interaksi antara laser dan atom dalam gas (lengai) memberikan elektron lebihan tenaga dan memancarkan cahaya. L’Huillier terus meneroka fenomena ini yang menjadi asas bagi penemuan mengagumkan ini. Kajian L’Huillier boleh dianalogikan bahawa dedenyut attosaat cahaya terhasil daripada interferens beberapa nada lampau berbeza dengan frekuensi cahaya berbeza, lalu membentuk deretan dedenyut attosaat daripada pembesaran interferens memusnah (Rajah 3).
Skema ringkas ujikaji dedenyut attosaat ditunjukkan dalam Rajah 4 iaitu pancaran laser dipisahkan kepada dua alur; salah satu alur laser tersebut digunakan bagi menghasilkan deretan denyut (pulse train) melalui interaksi laser dan atom dalam gas. Deretan dedenyut ini kemudiannya digabung semula dengan denyut laser asal yang dilewatkan tempohnya dan gabungan ini digunakan ke atas ujikaji yang sangat singkat (attosaat), sudah tentulah digunakan bagi memerhatikan ‘kelakuan elektron’ tersebut (kelakuan elektron yang dimaksudkan adalah pengionan atom memberikan paket gelombang elektron mewakili dedenyut attosaat). Ujikaji ini menggunakan deretan dedenyut dikenali sebagai Teknik Arnab (Rabbit technique) dibangunkan oleh Pierre Agostini sehingga mencapai 250 attosaat [4]. Walau bagaimanapun, menggunakan rutin yang sama, bezanya adalah Ferenc Krausz menggunakan ‘dedenyut individu terasing’ dikenali sebagai Teknik Pencoretan (Streaking technique) menghasilkan ujikaji sesingkat 650 attosaat [5]. Teknik pencoretan menggunakan dedenyut frekuensi yang rendah dan dedenyut attosaat yang berbeza tempohnya.
Terdapat tiga kegunaan lanjutan bagi fizik attosaat iaitu pengawalan setempat elektron dalam molekul, pertukaran ultrapantas daripada penebat kepada pengalir dan yang terakhir adalah surihan molekul terpakai bagi sampel biologi (terutamanya plasma darah). Oleh itu, boleh dikatakan bahawa anugerah ini menjadi contoh bahawa kajian asas mengambil masa yang lama (hampir 40 tahun, jika diambil kira tahun penemuan Prof L’Huillier) bagi menuai hasilnya, di mana kita boleh melihat kegunaannya sekarang! Ringkasnya, kajian asas begitu penting sewajarnya dibiayai, mengharapkan hasil segera adalah sesuatu yang agak sukar.
Rujukan
[1] Saluran Youtube Nobel Prize, “Announcement of the 2023 Nobel Prize in Physics”,
https://www.youtube.com/watch?v=guNJjFRKQ9k
[2] Fizikkini (2020). Penemuan dalam Kosmologi dan Lohong Hitam Merangkul Hadiah Nobel Fizik 2020.
https://fizikkini.com/penemuan-dalam-kosmologi-dan-lohong-hitam-merangkul-hadiah-nobel-fizik-2020/
[3] Ferray, M., L’Huillier, A., Li, X. F., Lompre, L. A., Mainfray, G., & Manus, C. (1988). Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 21(3), L31.
[4] Isinger, M., Busto, D., Mikaelsson, S., Zhong, S., Guo, C., Salières, P., … & Gisselbrecht, M. (2019). Accuracy and precision of the RABBIT technique. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 377(2145), 20170475.
[5] Yakovlev, V. S., Gagnon, J., Karpowicz, N., & Krausz, F. (2010). Attosecond streaking enables the measurement of quantum phase. Physical review letters, 105(7), 073001.
