|
Mengendarai Kuantum Menuju Komputer Fotonik
Suatu ketika Hamlet berkata pada Horotio :
masih lebih banyak lagi sesuatu di sorga dan di bumi dari pada
apa yang dimimpikan dalam filsafatmu, Horotio. Kalimat tersebut
barangkali tepat pula bila ditujukan kepada para fisikawan di akhir
abad ke-19. Memasuki permulaan abad ke-19, perkembangan dalam
penelitian fisika klasik dapat dikatakan tidak mengalami kemajuan
yang berarti. Pada saat itu, hampir semua bidang studi yang
berhubungan dengan fisika, seperti mekanika, gelombang, bunyi, optik,
listrik, magnet dan sebagainya telah dikuasai semuanya. Menjelang
akhir abad ke-19, sebagian besar fisikawan merasa puas dengan
pengetahuan yang mereka kuasai. Mereka mengira bahwa setiap hal
penting dalam fisika sudah diketahui, dan merasa tidak akan ada lagi
penemuan-penemuan besar untuk menjelaskan fenomena alam.
Persoalan-persoalan yang masih ada dalam fisika diyakini akan dapat
dipecahkan menggunakan kerangka teori yang suatu ketika dapat
ditemukan.
Teori
Kuantum
Pada tahun 1900, fisikawan berkebangsaan
Jernam Max Planck (1858-1947), memutuskan untuk mempelajari radiasi
benda hitam. Beliau berusaha untuk mendapatkan persamaan matematika
yang menyangkut bentuk dan posisi kurva pada grafik distribusi
spektrum. Planck menganggap bahwa permukaan benda hitam memancarkan
radiasi secara terus-menerus, sesuai dengan hukum-hukum fisika yang
diakui pada saat itu. Hukum-hukum itu diturunkan dari hukum dasar
mekanika yang dikembangkan oleh Sir Isaac Newton. Namun dengan
asumsi tersebut ternyata Planck gagal untuk mendapatkan persamaan
matematika yang dicarinya. Kegagalan ini telah mendorong Planck
untuk berpendapat bahwa hukum mekanika yang berkenaan dengan kerja
suatu atom sedikit banyak berbeda dengan hukum Newton.
Max
Planck mulai dengan asumsi baru, bahwa permukaan benda hitam tidak
menyerap atau memancarkan energi secara kontinyu, melainkan berjalan
sedikit demi sedikit dan bertahap-tahap. Menurut Planck, benda hitam
menyerap energi dalam berkas-berkas kecil dan memancarkan energi
yang diserapnya dalam berkas-berkan kecil pula. Berkas-berkas kecil
itu selanjutnya disebut kuantum. Teori kuantum ini bisa diibaratkan
dengan naik atau turun menggunakan tangga. Hanya pada posisi-posisi
tertentu, yaitu pada posisi anak tangga kita dapat menginjakkan
kaki, dan tidak mungkin menginjakkan kaki di antara anak-anak tangga
itu. Dengan hipotesa yang revolusioner ini, Planck berhasil
menemukan suatu persamaan matematika untuk radiasi benda hitam yang
benar-benar sesuai dengan data percobaan yang diperolehnya.
Persamaan tersebut selanjutnya disebut Hukum Radiasi Benda Hitam
Planck yang menyatakan bahwa intensitas cahaya yang dipancarkan dari
suatu benda hitam berbeda-beda sesuai dengan panjang gelombang
cahaya. Planck mendapatkan suatu persamaan : E = hn,
yang menyatakan bahwa energi suatu kuantum (E) adalah setara dengan
nilai tetapan tertentu yang dikenal sebagai tetapan Planck (h),
dikalikan dengan frekwensi (n) kuantum radiasi.
Hipotesa
Planck yang bertentangan dengan teori klasik tentang gelombang
elektromagnetik ini merupakan titik awal dari lahirnya teori kuantum
yang menandai terjadinya revolusi dalam bidang fisika. Terobosan
Planck merupakan tindakan yang sangat berani karena bertentangan
dengan hukum fisika yang telah mapan dan sangat dihormati. Dengan
teori ini ilmu fisika mampu menyuguhkan pengertian yang mendalam
tentang alam benda dan materi. Planck menerbitkan karyanya pada
majalah yang sangat terkenal. Namun untuk beberapa saat, karya
Planck ini tidak mendapatkan perhatian dari masyarakat ilmiah saat
itu. Pada mulanya, Planck sendiri dan fisikawan lainnya menganggap
bahwa hipotesa tersebut tidak lain dari fiksi matematika yang cocok.
Namun setelah berjalan beberapa tahun, anggapan tersebut berubah
hingga hipotesa Planck tentang kuantum dapat digunakan untuk
menerangkan berbagai fenomena fisika.
Pengakuan
terhadap Teori Kuantum
Teori kuantum sangat penting dalam ilmu
pengetahuan karena pada prinsipnya teori ini dapat digunakan untuk
meramalkan sifat-sifat kimia dan fisika suatu zat. Pengakuan
terhadap hasil karya Planck datang perlahan-lahan karena pendekatan
yang ditempuhnya merupakan cara berfikir yang sama sekali baru.
Albert Einstein misalnya, menggunakan konsep kuantum ini untuk
menjelaskan efek foto listrik yang diamatinya. Efek foto listrik
merupakan fenomena fisika berupa pancaran elektron dari permukaan
benda apabila cahaya dengan energi tertentu menimpa permukaan benda
itu. Semua logam dapat menunjukkan fenomena ini. Penjelasan Einstein
mengenai efek foto listrik itu terbilang sangat radikal, sehingga
untuk beberapa waktu tidak diterima secara umum. Namun ketika
Einstein menerbitkan hasil karyanya pada tahun 1905, penjelasannya
memperoleh perhatian luas di kalangan fisikawan. Dengan demikian,
penerapan teori kuantum untuk menjelaskan efek foto listrik telah
mendorong ke arah perhatian yang luar biasa terhadap teori kuantum
dari Planck yang sebelumnya diabaikan.
Pada
tahun 1913, Niels Bohr, fisikawan berkebangsaan Swedia, mengikuti
jejak Einstein menerapkan teori kuantum untuk menerangkan hasil
studinya mengenai spektrum atom hidrogen. Bohr mengemukakan teori
baru mengenai struktur dan sifat-sifat atom. Teori atom Bohr ini
pada prinsipnya menggabungkan teori kuantum Planck dan teori atom
dari Ernest Rutherford yang dikemukakan pada tahun 1911. Bohr
mengemukakan bahwa apabila elektron dalam orbit atom menyerap suatu
kuantum energi, elektron akan meloncat keluar menuju orbit yang
lebih tinggi. Sebaliknya, jika elektron itu memancarkan suatu
kuantum energi, elektron akan jatuh ke orbit yang lebih dekat dengan
inti atom.
Dengan teori kuantum, Bohr juga menemukan rumus matematika yang
dapat dipergunakan untuk menghitung panjang gelombang dari semua
garis yang muncul dalam spektrum atom hidrogen. Nilai hasil
perhitungan ternyata sangat cocok dengan yang diperoleh dari
percobaan langsung. Namun untuk unsur yang lebih rumit dari hidrogen,
teori Bohr ini ternyata tidak cocok dalam meramalkan panjang
gelombang garis spektrum. Meskipun demikian, teori ini diakui
sebagai langkah maju dalam menjelaskan fenomena-fenomena fisika yang
terjadi dalam tingkatan atomik.
Teori
kuantum dari Planck diakui kebenarannya karena dapat dipakai untuk
menjelaskan berbagai fenomena fisika yang saat itu tidak bisa
diterangkan dengan teori klasik. Pada tahun 1918 Planck memperoleh
hadiah Nobel bidang fisika berkat teori kuantumnya itu. Dengan
memanfaatkan teori kuantum untuk menjelaskan efek foto listrik,
Einstein memenangkan hadiah Nobel bidang fisika pada tahun 1921.
Selanjutnya Bohr yang mengikuti jejak Einstein menggunakan teori
kuantum untuk teori atomnya juga dianugerahi hadiah Nobel Bidang
fisika tahun 1922.
Tiga
hadiah Nobel fisika dalam waktu yang hampir berurutan di awal abad
ke-20 itu menandai pengakuan secara luas terhadap lahirnya teori
mekanika kuantum. Teori ini mempunyai arti penting dan fundamental
dalam fisika. Di antara perkembangan beberapa bidang ilmu
pengetahuan di abad ke-20, perkembangan mekanika kuantum memiliki
arti yang paling penting, jauh lebih penting dibandingkan teori
relativitas dari Einstein. Oleh sebab itu, Planck dianggap sebagai
Bapak Mekanika Kuantum yang telah mengalihkan perhatian penelitian
dari fisika makro yang mempelajari objek-objek tampak ke fisika
mikro yang mempelajari objek-objek sub-atomik. Dengan adanya
perombakan dalam penelitian fisika yang dimulai sejak memasuki abad
ke-20 ini, maka perhatian orang mulai tertuju ke arah penelitian
atom, dan melalui penjelasan teori kuantum inilah manusia mampu
mengenali atom dengan baik.
Sebagai
konsekwensi atas beralihnya bidang kajian dalam fisika ini, maka
muncullah beberapa disipilin ilmu spesialis seperti fisika nuklir
dan fisika zat padat. Fisika nuklir yang perkembangannya cukup
kontraversial kini menawarkan berbagai macam aplikasi praktis yang
sangat bermanfaat dalam kehidupan. Energi nuklir misalnya, saat ini
telah mensuplai sekitar 17 % kebutuan energi listrik dunia. Sedang
perkembangan dalam fisika zat pada telah mengantarkan ke arah
revolusi dalam bidang mikro elektronika, dan kini sedang menuju ke
arah nano elektronika.
Cairan
Kuantum
Setelah berumur hampir seabad, teori
kuantum masih tetap mendapatkan perhatian yang sangat besar di
kalangan fisikawan. Hal ini terbukti dengan dimenagkannya hadiah
Nobel bidang fisikat untuk tahun 1998 ini oleh tiga kampium fisika
kuantum akhir abad 20. Komite Nobel Karolinska Institute di
Stockholm, Swedia, pada tanggal 13 Oktober 1998 mengumunkan Prof.
Robert B. Laughlin (universitas Stanford, California), Prof. Daniel
C. Tsui (Universitas Princeton) dan Prof. Horst L. Stoemer (fisikawan
berkebangsaan Jerman yang bekerja di Universitas Columbia, New York
dan sebagai peneliti di Bell Labs, New Yersey) sebagai nobelis
fisika tahun 1998.
Pada tahun 1982, Horst L. Stoemer dan Daniel C. Tsui melakukan
eksperimen dasar menggunakan medan magnet sangat kuat pada
temperatur rendah berupa superkonduktor yang didinginkan helium cair.
Para nobelis fisika itu berjasa dalam penemuan mekanisme aksi
elektron dalam medan magnet kuat sehingga membentuk
partikel-partikel elementer baru yang bermuatan mirip elektron. Pada
tahun yang bersamaan, Robert B. Laughlin juga menginformasikan
fenomena serupa. Melalui analisa fisika teori, mereka berhasil
menunjukkan bahwa elektron-elektron dalam medan magnet sangat kuat
dapat berkondensasi membentuk semacam cairan sehingga melahirkan apa
yang disebut sebagai cairan kuantum.
Hasil
yang diperoleh ketiga fisikawan tadi sangat penting artinya bagi
para peneliti dalam memahami struktur suatu materi, termasuk
pembuatan aneka perangkat superkonduktor. Temuan itu juga merupakan
terobosan dalam pengembangan teori dan eksperimen fisika kuantum
serta pengembangan konsep-konsep baru dalam beberapa cabang fisika
moderen. Para nobelis fisika sama-sama mempunyai latar
belakang riset dalam pengembangan fisika kuantum yang mempunyai
peran penting bagi kemajuan riset pengembangan perangkat fotonik.
Temuan para nobelis fisika tahun 1998 ini telah memungkinkan efek
kuantum menjadi mudah diamati. Fenomena Efek Hall (Hall effect)
dalam fisika yang pertama kali dilaporkan oleh Edwin H. Hall pada
tahun 1879 dan sangat menakjubkan itu, kini seakan-akan dapat
diamati oleh para fisikawan di manapun.
Komputer
Fotonik
Kiprah mekanika kuantum di masa-masa
mendatang barang kali masih akan tetap diperhitungkan. Misteri lain
yang mungkin lebih besar barangkali masih tersimpan dalam teori
kuantum itu. Paling tidak para ilmuwan berharap, dengan mengendarai
kuantum mereka akan sampai pada tujuan mewujudkan impian berupa
hadirnya perangkat fotonik serta gagasan pembuatan komputer fotonik
(komputer kuantum) yang akan mencerahkan kehidupan manusia di awal
milenium ketiga ini.
Arun N. Netravali, ilmuwan berdarah India yang menjabat Vice
President Research Lucent Technology dan Direktur Bell Labs di AS,
telah melakukan terobosan dalam proses pembuatan prosesor fotonik,
sehingga beliau pada tahun 1998 menerima penghargaan tertinggi dari
perusahaan elektronik NEC, Jepang. Basis dari perangkat fotonik ini
bukan lagi pada teknologi silikon seperti yang saat ini banyak
diaplikasikan, melainkan mulai bergerak menuju teknologi foton yang
memanfaatkan cahaya.
Para ilmuwan sebetulnya sudah sejak lama berusaha mencari alternatif
lain dalam mengembangkan komputer elektronik. Mereka umumnya melirik
jalam untuk beralih dari komputer elektronik ke komputer fotonik.
Banyak kelebihan yang dimiliki komputer fotonik ini jika kelak
benar-benar bisa diwujudkan, yaitu :
-
Pada
komputer elektronik sinyal dibawa oleh berkas elektron, sedang
pada komputer fotonik sinyal itu dibawa oleh foton (gelombang
elektromagnetik) dalam bentuk cahaya tampak.
-
Gerak
atau cepat rambat foton cahaya paling tidak mencapai tiga kali
lebih cepat dibandingkan cepat rambat elektron. Oleh sebab itu,
komputer fotonik akan bekerja jauh lebih cepat dibandingkan
komputer elektronik yang saat ini beredar.
-
Semua
cahaya tidak dapat saling mengganggu (berinterferensi) kecuali
jika cahaya-cahaya itu berasal dari satu sumber. Di samping itu,
cahaya dapat merambat di dalam serat optis yang lebih ringan
dibandingkan logam (tembaga) yang saat ini dipakai sebagai media
aliran elektron pada komputer elektronik.
-
Pada
komputer elektronik data disimpan dalam medium dua dimensi
seperti pita magnetik dan yang lainnya, sedang pada komputer
fotonik data dapat disimpan secara tiga dimensi dalam medium
yang ketebalannya berorde mikro meter. Jadi satu penyimpan
fotonik bisa memiliki kapasitas yang setara dengan ribuan
penyimpan elektronik.
Kini
para ilmuwan telah berhasil menghadirkan sumber cahaya dalam bentuk
laser semikonduktor dan LED (Light Emitting Diode) yang dapat
dipakai sebagai sumber pembawa sinyal pada komputer fotonik.
Teknologi serat optis pun sudah berkembang sedemikian rupa sehingga
siap mendukung tampilnya perangkat fotonik. Riset menuju terwujudnya
komputer fotonik berkembang sangat pesat dan telah mencapai tingkat
yang sangat mengagumkan. Tidak mustahil jika komputer fotonik ini
akan segera hadir di hadapan kita dan ikut meramaikan unjuk
kecanggihan teknologi moderen di awal milenium tiga ini.
Mukhlis
Akhadi
Ahli
Peneliti Muda di Badan Tenaga Nuklir Nasional
Pasar
Jumat, Jakarta
|
