Para peneliti telah berhasil merekayasa perangkat yang menghasilkan semburan getaran mirip suara yang terkendali pada tingkat kuantum, sebuah terobosan yang dapat merevolusi cara kita mengirimkan data melalui air dan jaringan biologis.
Inovasi yang dikembangkan oleh tim dari McGill University dan National Research Council of Canada ini menghasilkan fonon —partikel suara kuantum—menggunakan arus listrik dalam kondisi sangat dingin. Teknologi ini mengatasi keterbatasan penting dalam komunikasi modern: meskipun cahaya dan listrik mendominasi jaringan saat ini, mereka kesulitan untuk melakukan perjalanan melalui media seperti lautan atau tubuh manusia, tempat gelombang suara unggul.
Cara Kerja Perangkat
Inti dari penemuan ini terletak pada manipulasi elektron dalam lapisan kristal dua dimensi, yang tebalnya hanya beberapa atom. Ketika arus listrik dipaksa melalui saluran sempit ini, elektron berakselerasi hingga kecepatannya melebihi kecepatan suara di dalam material tersebut.
Saat elektron “supersonik” ini bergerak, mereka melepaskan energi dalam bentuk fonon. Proses ini menciptakan semburan getaran suara yang dapat diprediksi dan dikendalikan. Namun, fenomena ini rapuh; itu hanya terjadi pada pendinginan ekstrim. Perangkat harus dijaga pada suhu antara 10 miliklvin dan 3,9 Kelvin —mendekati nol mutlak—untuk memastikan elektron bergerak cukup teratur agar efek kuantum dapat terwujud.
“Pada suhu nol mutlak… tidak ada suara yang tercipta kecuali elektron bergerak secara kolektif dengan kecepatan suara atau lebih tinggi,” jelas Michael Hilke, Associate Professor Fisika di McGill dan salah satu penulis penelitian ini. “Studi kami melangkah lebih jauh dengan mendorong sistem melampaui titik tersebut.”
Mengapa Ini Penting
Infrastruktur komunikasi saat ini sangat bergantung pada gelombang elektromagnetik (cahaya) dan arus listrik. Sinyal-sinyal ini terdegradasi dengan cepat di dalam air dan sering kali terhalang atau disebarkan oleh jaringan biologis. Namun, suara merambat secara efisien melalui media-media ini.
Dengan menciptakan sumber suara kuantum yang andal, para ilmuwan meletakkan dasar bagi laser fonon —perangkat yang memperkuat gelombang suara dengan cara yang sama seperti laser optik memperkuat cahaya. Hal ini dapat menyebabkan:
- Komunikasi laut dalam: Transmisi data berkecepatan tinggi di bawah air tanpa bergantung pada kabel atau modem akustik yang saat ini lambat dan besar.
- Diagnostik medis: Alat penginderaan presisi dan non-invasif yang menggunakan gelombang suara untuk menyelidiki bahan biologis dengan lebih jelas.
- Sensor canggih: Sistem deteksi yang sangat sensitif untuk aplikasi industri dan ilmiah.
Menantang Teori yang Ada
Penelitian tersebut juga mengungkap fisika yang tidak terduga. Secara tradisional, diasumsikan bahwa agar efek kuantum dapat terjadi, seluruh sistem harus berada dalam keadaan dingin. Namun, tim McGill menemukan bahwa meskipun kristal induknya mendekati nol mutlak, elektronnya sendiri bisa menjadi “sangat panas” (energi tinggi) dibandingkan dengan lingkungannya. Temuan ini menunjukkan bahwa model teoritis yang ada perlu dikaji ulang untuk memperhitungkan perbedaan antara suhu material dan energi partikel yang bergerak melewatinya.
Arah Masa Depan
Meskipun prototipe saat ini memerlukan pendinginan ekstrem, para peneliti sudah mencari aplikasi praktis. Penelitian di masa depan akan mengeksplorasi apakah material lain, seperti graphene, dapat memungkinkan perangkat beroperasi pada kecepatan lebih tinggi atau suhu yang tidak terlalu ekstrim.
“Fonon sulit dihasilkan dan dimanfaatkan secara terkendali, jadi kami sedang menjajaki rezim baru,” kata Hilke. “Pada tingkat yang luas, ini adalah tentang bagaimana arus listrik dan energi bergerak dan diubah di dalam material elektronik canggih.”
Kesimpulan
Terobosan ini mewakili langkah signifikan menuju penguasaan suara pada skala kuantum. Dengan mengubah energi listrik menjadi getaran suara yang terkendali, para ilmuwan membuka kemungkinan baru untuk komunikasi dan penginderaan di lingkungan di mana teknologi tradisional berbasis cahaya gagal.
