Bisakah Cahaya Dihentikan? Dari 17 m/detik hingga Satu Menit di Dalam Kristal

Mungkin Anda pernah mendengar bahwa ada suhu yang begitu dingin sampai cahaya pun berhenti bergerak. Kedengarannya seperti fiksi ilmiah, dan ada bagian yang perlu diluruskan: tidak ada “titik beku” yang menghentikan cahaya. Meski begitu, fisikawan memang berhasil memperlambat cahaya hingga sepelan sepeda, bahkan menghentikan dan menyimpannya selama satu menit penuh. Bagaimana caranya?

Nol mutlak: batas dingin yang tak bisa dicapai

Suhu terendah yang mungkin adalah nol mutlak, yaitu 0 kelvin atau −273,15 °C. Hukum ketiga termodinamika menyiratkan bahwa tidak ada proses fisik yang bisa mencapainya dalam jumlah langkah terbatas. Kita hanya bisa mendekatinya. Bahkan di sana atom tidak benar-benar diam: mekanika kuantum menyisakan energi titik-nol yang tidak bisa dihilangkan.

Lalu bagaimana dengan cahaya? Foton tidak “membeku” pada suhu tertentu. Di ruang hampa, cahaya selalu bergerak dengan kecepatan 299.792 km/detik. Yang bisa diubah adalah cara cahaya merambat di dalam suatu medium.

1999: cahaya sepelan sepeda

Pada Februari 1999, tim Lene Hau di Harvard bersama Stephen Harris, Zachary Dutton, dan Cyrus Behroozi menerbitkan makalah di jurnal Nature. Mereka melaporkan pulsa cahaya yang merambat hanya 17 meter per detik, sekitar 61 km/jam, atau dua puluh juta kali lebih lambat daripada cahaya di ruang hampa. Medianya adalah gas atom natrium yang didinginkan hingga suhu nanokelvin dengan pendinginan laser dan evaporatif.

Kuncinya adalah transparansi terinduksi elektromagnetik (EIT). Sebuah laser “kopling” mengubah medium yang semula buram menjadi transparan bagi cahaya tertentu. Pada saat yang sama, indeks biasnya berubah sangat curam sehingga pulsa cahaya merambat luar biasa lambat.

2001: cahaya “dihentikan”

Dua tahun kemudian, tim Hau melangkah lebih jauh. Saat pulsa cahaya sudah terkompresi di dalam awan atom, laser kopling dimatikan mendadak. Pulsanya praktis berhenti, dan informasi dari cahaya itu “dibekukan” di dalam atom hingga 1 milidetik. Ketika laser dinyalakan kembali, cahaya keluar lagi dengan sifat yang sama.

Perlu dipahami, yang terjadi bukan foton yang diam di tempat. Energi dan informasi cahaya berpindah menjadi keadaan kolektif atom, lalu diubah kembali menjadi cahaya. Animasi berikut menunjukkan urutannya.

Tak harus sangat dingin

Tak lama setelah laporan Hau, kelompok Marlan Scully dan rekan-rekan melaporkan hasil sebanding pada atom rubidium bersuhu 360 K, sekitar satu miliar kali lebih panas daripada atom natrium Hau. Pada 2001, peneliti di Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics juga menghentikan dan melepas kembali cahaya dalam campuran gas rubidium dan helium bersuhu sekitar 80 °C. Jadi yang menentukan adalah teknik EIT, bukan suhu semata.

Namun dingin tetap membantu soal lamanya penyimpanan. Menurut makalah Darmstadt, penyimpanan berbasis EIT di gas panas biasanya hanya sekitar 100 mikrodetik, sedangkan di atom ultradingin bisa mencapai sekitar satu detik.

2013: satu menit di dalam kristal

Pada 2013, tim Georg Heinze, Christian Hubrich, dan Thomas Halfmann di Universitas Teknik Darmstadt memakai kristal bening yang disebut Pr:Y₂SiO₅ (yttrium silikat dengan sedikit ion praseodimium) yang dijaga di bawah 4 K. Dengan medan magnet tiga dimensi, algoritma pembelajaran evolusioner untuk mengoptimalkan pulsa laser, dan rangkaian pulsa radio untuk meredam gangguan, mereka berhasil menyimpan cahaya lebih dari satu menit. Mereka bahkan menyimpan sebuah gambar sederhana berupa tiga garis dan mengambilnya kembali.

Sebagai gambaran, dalam 60 detik cahaya di ruang hampa menempuh sekitar 18 juta kilometer. Saat dipublikasikan, ini waktu simpan EIT terlama pada media apa pun. Catatan penting: efisiensi penyimpanannya masih rendah, sekitar 1% atau kurang, sehingga ini bukti konsep, belum perangkat siap pakai.

Untuk apa semua ini?

Penyimpanan cahaya adalah komponen kunci memori optik dan kuantum, misalnya untuk jaringan kuantum dan pengulang (repeater) yang menyalurkan keterikatan kuantum jarak jauh. Memori semacam itu butuh waktu simpan yang panjang, dan itulah yang mendorong perlombaan dari milidetik, ke detik, hingga menit.

Meluruskan tiga salah kaprah

• “Ada suhu yang menghentikan cahaya.” Tidak ada. Yang menghentikannya adalah teknik EIT yang memindahkan informasi cahaya ke atom, dan teknik itu bahkan bekerja di gas hangat.
• “Cahaya melampaui batas Einstein.” Tidak. Kecepatan di ruang hampa tetap konstan. Yang melambat adalah rambatan pulsa di dalam medium.
• “Cahaya berhenti berarti foton diam.” Bukan. Informasinya tersimpan sebagai keadaan atom, lalu diubah kembali menjadi cahaya.

Garis waktu singkat

• 1999Cahaya diperlambat hingga 17 m/detik di gas natrium nanokelvin (Hau dkk.).
• 2001Pulsa cahaya dihentikan dan disimpan hingga 1 milidetik, lalu dilepas kembali. Kelompok lain melakukannya di gas hangat.
• 2013Cahaya dan gambar sederhana disimpan lebih dari 1 menit di kristal Pr:Y₂SiO₅ (Darmstadt).

Penutup

Jadi jawaban untuk pertanyaan di awal: tidak ada suhu yang menghentikan cahaya, tetapi dengan cara cerdas fisikawan bisa menukar cahaya menjadi keadaan atom, menyimpannya, lalu mengubahnya kembali. Dari 17 meter per detik pada 1999 hingga satu menit penuh pada 2013, kisah ini menunjukkan bahwa “batas” dalam fisika sering kali adalah batas teknik kita, bukan batas alam.(irw)

Referensi

1. Hau, L. V., Harris, S. E., Dutton, Z., Behroozi, C. H. “Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas.” Nature 397, 594–598 (1999). doi:10.1038/17561
2. Liu, C., Dutton, Z., Behroozi, C. H., Hau, L. V. “Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses.” Nature 409, 490–493 (2001). doi:10.1038/35054017
3. Heinze, G., Hubrich, C., Halfmann, T. “Stopped light and image storage by electromagnetically induced transparency up to the regime of one minute.” Phys. Rev. Lett. 111, 033601 (2013). doi:10.1103/PhysRevLett.111.033601
4. de Riedmatten, H. “A long-term memory for light.” Physics 6, 80 (2013). physics.aps.org
5. Fitzgerald, R. “Ultraslow light pulse propagation observed in atoms, both cold and hot.” Physics Today, Juli 1999. physicstoday.aip.org
6. Harvard Gazette. “Researchers now able to stop, restart light.” Januari 2001. news.harvard.edu
7. Phillips, D. F., Fleischhauer, A., Mair, A., Walsworth, R. L., Lukin, M. D. “Storage of light in atomic vapor.” Phys. Rev. Lett. 86, 783 (2001).