Para ilmuwan di Max Born Institute (MBI) telah mencapai terobosan signifikan dalam teknologi laser, dengan sepenuhnya mengkarakterisasi pulsa cahaya yang sangat pendek (beberapa femtodetik) yang dapat disetel melintasi spektrum vakum ultraviolet (VUV). Kemajuan ini membuka kemungkinan baru untuk mempelajari dinamika elektron dalam material dengan presisi temporal yang belum pernah terjadi sebelumnya dan menjanjikan revolusi dalam berbagai bidang mulai dari ilmu material hingga fisika kimia.
Tantangan: Mengukur Denyut VUV Ultracepat
Menghasilkan dan mengukur gelombang cahaya di wilayah VUV telah lama menjadi tantangan besar bagi para ilmuwan. Sebagian besar material menunjukkan resonansi elektronik pada rentang UV dalam dan vakum, artinya material tersebut menyerap cahaya dengan kuat pada panjang gelombang ini. Penyerapan ini, dikombinasikan dengan hubungan Kramers-Kronig, menyebabkan dispersi material yang tinggi, sehingga sangat sulit untuk menangani dan mengukur secara akurat denyut-denyut yang cepat berlalu ini.
Teknik Baru: Emisi Gelombang Dispersi Resonansi (RDW).
Pengembangan kemampuan ini dibangun berdasarkan karya John C. Travers di Universitas Heriot-Watt, Inggris. Travers memelopori teknik yang memanfaatkan emisi gelombang dispersif resonansi (RDW) setelah kompresi mandiri soliton dalam pandu gelombang. Proses ini memungkinkan dihasilkannya pulsa UV yang sangat pendek (tingkat µJ), yang mencakup rentang panjang gelombang yang luas hingga 110 nm.
Yang terpenting, ketersediaan pandu gelombang berongga berkualitas tinggi, yang dikembangkan melalui peregangan kapiler fleksibel, sangat penting agar teknik ini berhasil. Inovasi ini, yang diciptakan bersama oleh Travers dan Peter Simon di Institut für Nanophotonik Göttingen e.V., Jerman, membuka jalan bagi kemajuan lebih lanjut.
Mencirikan Yang Tak Terukur: Katak Elektron
Meskipun ada kemajuan sebelumnya, panjang gelombang terpendek VUV (100-200 nm) sebagian besar masih belum dieksplorasi karena penyerapan dan dispersi ekstrim yang melekat pada material pada frekuensi ini. Kini, para ilmuwan di MBI telah berhasil memperluas kegunaan teknik RDW hingga rentang spektral VUV yang sulit dipahami ini.
Inovasi utama mereka adalah teknik karakterisasi baru yang disebut electron FROG, sebuah variasi canggih pada gerbang optik yang diselesaikan dengan frekuensi (FROG). Teknik ini memanfaatkan ionisasi dua foton gas mulia untuk menghasilkan nonlinier yang unik. Dengan mengukur secara tepat spektrum energi kinetik fotoelektron yang dihasilkan, para ilmuwan dapat memecahkan kode bentuk dan durasi pulsa VUV ultrapendek.
Cara Kerja Katak Elektron :
- Dua pulsa menerangi target gas mulia.
- Pulsa mengionisasi gas, menghasilkan fotoelektron.
- Spektrum energi kinetik fotoelektron ini dicatat sebagai fungsi dari waktu tunda antara dua pulsa.
- Algoritme pengambilan fase khusus kemudian merekonstruksi bentuk pulsa dari spektogram yang dihasilkan.
Keunggulan Unik: Sidik Jari Atom
Electron FROG menawarkan keuntungan yang signifikan dibandingkan teknik standar: spektogram yang diukur tidak hanya mengungkapkan bentuk pulsa tetapi juga menggabungkan “sidik jari” dari struktur atom gas target. Pengaruh halus ini memerlukan pengembangan kode pengambilan fase baru berdasarkan algoritma evolusi diferensial.
Keakuratan pengukuran divalidasi secara ketat melalui perbandingan dengan perhitungan mekanika kuantum ab initio (TDSE). Hasilnya menunjukkan bahwa pulsa VUV yang dihasilkan RDW memiliki durasi yang sangat singkat yaitu 2–3 fs, selaras dengan simulasi sebelumnya.
Menyelidiki Dinamika Molekuler dengan Detil yang Belum Pernah Ada Sebelumnya
Selain karakterisasi, peralatan elektron FROG digunakan untuk pengukuran probe pompa pada molekul organik kecil, seperti etilen. Pengukuran ini, yang dilakukan dengan resolusi temporal yang tak tertandingi, memberikan wawasan baru ke dalam tahap awal dinamika relaksasi setelah foto-eksitasi. Saat ini, para peneliti sedang menganalisis data dan membandingkannya dengan simulasi dinamika molekuler yang canggih untuk memahami sepenuhnya proses yang mendasarinya.
Terobosan dalam karakterisasi pulsa VUV ini membuka era baru dalam menyelidiki dinamika elektron valensi dan menjanjikan untuk memperdalam pemahaman kita tentang material pada tingkat mendasar.
Kemampuan untuk secara tepat mengukur dan mengendalikan gelombang VUV yang sangat cepat ini tidak diragukan lagi akan memacu inovasi lebih lanjut dalam berbagai disiplin ilmu, sehingga memungkinkan dilakukannya penyelidikan yang belum pernah terjadi sebelumnya terhadap perilaku molekuler dan material.
