Para ilmuwan di Universitas Harvard telah berhasil mendemonstrasikan cara untuk menghasilkan sinar ultraviolet (UV) yang kuat langsung pada sebuah chip mikroskopis. Dengan memanfaatkan bahan khusus dan teknik fabrikasi baru, tim ini telah mengatasi rintangan lama dalam bidang fotonik: kecenderungan sinar UV kehilangan kekuatannya dengan cepat ketika terbatas pada sirkuit kecil.
Tantangan Menyusutnya Teknologi UV
Sinar ultraviolet sangat diperlukan dalam industri teknologi tinggi modern. Ini adalah landasan proses sterilisasi, pencitraan biologis, dan manufaktur semikonduktor canggih. Ke depan, sumber UV kompak sangat penting untuk teknologi generasi berikutnya, termasuk jam atom ultra-presisi dan komputer kuantum.
Secara historis, mengintegrasikan sinar UV ke dalam chip skala kecil sangatlah sulit. Meskipun para insinyur dapat dengan mudah memandu cahaya inframerah atau cahaya tampak melalui saluran mikroskopis (panduan gelombang), sinar UV terkenal sulit untuk dikelola. Ia cenderung menghilang dengan cepat seiring perjalanannya, sehingga hampir tidak mungkin untuk menciptakan sumber UV yang efisien dan berdaya tinggi pada skala chip.
Pendekatan Baru: Peningkatan Frekuensi
Daripada mencoba “memandu” sinar UV yang ada melalui sebuah chip—yang menyebabkan hilangnya energi secara besar-besaran—tim yang dipimpin Harvard, dipimpin oleh Profesor Marko Lončar, memutuskan untuk menciptakan sinar UV secara internal.
Para peneliti menggunakan bahan yang disebut thin-film lithium niobate. Bahan kristal ini merupakan bahan pokok dalam telekomunikasi karena kemampuannya memanipulasi cahaya, namun biasanya tidak dikaitkan dengan aplikasi UV. Tim menggunakan proses yang dikenal sebagai peningkatan frekuensi :
1. Lampu merah (energi lebih rendah) dikirim ke kristal lithium niobate.
2. Di dalam kristal, dua foton merah digabungkan.
3. Kombinasi ini menghasilkan satu foton UV yang berenergi lebih tinggi.
Inovasi: “Poling Dinding Samping”
Terobosan ini bergantung pada bagaimana struktur kristal dimanipulasi untuk memfasilitasi konversi ini. Untuk membuat proses menjadi efisien, domain kristal harus “dibalik” pada interval yang tepat di sepanjang pandu gelombang—sebuah proses yang disebut poling.
Sebelumnya, para peneliti menghadapi dilema: mereka harus memoles seluruh film (yang tidak memberikan ruang untuk koreksi kesalahan) atau membuat pandu gelombang terlebih dahulu (yang mengakibatkan efisiensi yang buruk karena elektroda kontrol terlalu jauh dari jalur cahaya).
Tim Harvard memecahkan masalah ini dengan teknik presisi tinggi yang disebut sidewall poling :
– Mereka menempatkan “jari” logam mikroskopis tepat di sepanjang sisi pandu gelombang.
– Elektroda ini ditempatkan dengan akurasi 50 nanometer.
– Dengan menerapkan tegangan melalui elektroda samping ini, mereka dapat membalik domain kristal di seluruh penampang pandu gelombang.
Ketepatan ini memastikan cahaya berinteraksi dengan material berstruktur optimal, memaksimalkan energi yang diubah dari merah menjadi UV.
Hasil dan Implikasi di Masa Depan
Hasilnya, yang dipublikasikan di Nature Communications, menunjukkan lompatan besar dalam keluaran daya. Perangkat ini menghasilkan 4,2 miliwatt sinar UV pada panjang gelombang 390 nanometer. Sebagai gambaran, kekuatan ini kira-kira 120 kali lebih kuat dibandingkan upaya sebelumnya yang menggunakan litium niobate film tipis, yang hanya menghasilkan puluhan mikrowatt.
Peningkatan kekuatan ini menggerakkan teknologi dari sekedar konsep laboratorium menjadi alat praktis. Implikasinya sangat signifikan:
- Komputasi Kuantum: Komputer kuantum yang dapat diskalakan memerlukan sumber cahaya yang dapat diperkecil hingga ke tingkat chip. Perangkat ini dapat menyediakan sinar UV yang diperlukan untuk sistem kuantum “ion yang terperangkap”.
- Penginderaan Lingkungan: Teknologi yang sama dapat menghasilkan sensor kompak dan sangat sensitif yang mampu mendeteksi gas rumah kaca dan polutan udara secara real-time.
“Jika Anda menginginkan komputer kuantum yang dapat diskalakan dan tidak seukuran truk, Anda perlu menurunkan semuanya hingga ke tingkat chip, dan ini termasuk sumber cahayanya.”
Kesimpulan
Dengan menguasai “poling dinding samping” berpresisi tinggi, para peneliti telah membuka kemampuan untuk menghasilkan sinar UV berkekuatan tinggi pada skala mikroskopis. Terobosan ini membuka jalan bagi komponen-komponen yang berukuran kecil dan sangat efisien dalam komputasi kuantum dan pemantauan lingkungan.
