HONG KONG SAR – Media OutReach – Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Shuang ZHANG, Kepala Departemen Fisika di Universitas Hong Kong (HKU), bermitra dengan Pusat Nasional untuk Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nanosains, Imperial College London, dan University of California, Berkeley, bersama-sama mengusulkan Pendekatan Gelombang Frekuensi Kompleks Sintetis (CFW), yang menggunakan penguatan virtual untuk mengimbangi kerugian yang melekat dalam sistem optik. Berhasil meningkatkan resolusi pencitraan metalen sekitar satu urutan besarnya. Hasil penelitiannya baru saja dipublikasikan di jurnal akademis otoritatif Science.

Keterangan Foto: Diagram skema prinsip peningkatan kualitas pencitraan logam dengan menggunakan metode sintesis gelombang frekuensi kompleks. Di bawah pencahayaan dengan frekuensi nyata yang berbeda, ketika objek yang sama ditampilkan melalui lensa super, tingkat keburaman gambar bervariasi, dan sulit untuk menampilkan tampilan objek secara akurat. Namun, setelah menggabungkan amplitudo dan fase dari beberapa gambar frekuensi tunggal, gambar yang jelas dapat diperoleh. Image credit: HKU

Pencitraan memainkan peran penting dalam banyak bidang seperti biologi, kedokteran, dan ilmu material. Mikroskop optik menggunakan cahaya untuk memperoleh gambar benda-benda kecil. Namun, mikroskop konvensional hanya dapat menyelesaikan ukuran fitur berdasarkan urutan panjang gelombang optik terbaik, yaitu batas difraksi.

Untuk mengatasi batas difraksi, Sir John Pendry dari Imperial College London mengajukan konsep teoritis Superlens yang terbuat dari media indeks bias negatif atau logam mulia seperti perak pada tahun 2000. Selanjutnya, Profesor Xiang ZHANG, rektor Universitas Hong Kong saat ini, dan timnya di Universitas California, Berkeley, memimpin dalam mewujudkan eksperimen metalen optik, yang sangat mendorong pengembangan dan penerapan teknologi metalen. Sejak itu, para ilmuwan dari berbagai negara telah mencurahkan lebih banyak sumber daya untuk penelitian logam, menjadikannya topik hangat di bidang optik. Namun, hilangnya metalense secara intrinsik selalu menjadi masalah utama dalam bidang ini, yang membatasi peningkatan resolusi pencitraan.

Kehilangan optik telah menjadi faktor pembatas utama yang membatasi pengembangan nanofotonik selama tiga dekade terakhir. Banyak aplikasi, termasuk penginderaan, superimaging, dan sirkuit nanofotonik, akan sangat diuntungkan jika masalah ini dapat diselesaikan.

“Untuk memecahkan beberapa masalah kehilangan optik yang penting dan praktis, kami mengusulkan solusi – menggunakan gelombang eksitasi kompleks sintetik baru digunakan untuk mendapatkan keuntungan virtual, dan kemudian mengimbangi kerugian yang melekat pada sistem optik. Untuk membuktikan kelayakan metode ini, kami menerapkannya pada mekanisme pencitraan metalens, yang secara teoritis meningkatkan resolusi gambar secara signifikan,” kata Profesor Shuang Zhang, penulis koresponden makalah tersebut dan juga Kepala Sementara Departemen Fisika HKU, menjelaskan fokus penelitian itu.

“Kami lebih lanjut mendemonstrasikan teori kami dengan melakukan eksperimen menggunakan hyperlens yang terbuat dari metamaterial hiperbolik pada rentang frekuensi gelombang mikro dan metamaterial polariton pada rentang frekuensi optik. Seperti yang diharapkan, kami memperoleh hasil pencitraan yang sangat baik yang konsisten dengan prediksi teoritis kami,” tambah Dr Fuxin GUAN, penulis pertama makalah tersebut dan seorang Postdoctoral Fellow di HKU.

Multi-frekuensi menggabungkan metode gelombang frekuensi kompleks untuk mengatasi kehilangan optik

Dalam studi ini, para peneliti memperkenalkan pendekatan frekuensi ganda baru untuk mengatasi dampak negatif dari kehilangan pada superimaging. Gelombang frekuensi kompleks dapat digunakan untuk memberikan penguatan virtual untuk mengkompensasi kehilangan dalam sistem optik. Apa yang dimaksud dengan frekuensi kompleks? Frekuensi gelombang mengacu pada seberapa cepat gelombang tersebut berosilasi dalam waktu. Wajar jika frekuensi dianggap sebagai bilangan riil. Menariknya, konsep frekuensi dapat diperluas ke dalam domain kompleks, di mana bagian imajiner dari frekuensi juga memiliki makna fisik yang terdefinisi dengan baik, yaitu seberapa cepat gelombang menguat atau meluruh dalam waktu.

Oleh karena itu, untuk gelombang frekuensi yang kompleks, baik osilasi maupun amplifikasi gelombang terjadi secara bersamaan. Untuk frekuensi kompleks dengan bagian imajiner negatif (positif), gelombang akan meluruh (menguat) seiring berjalannya waktu. Tentu saja, gelombang kompleks yang ideal tidak bersifat fisik karena gelombang tersebut akan menyimpang ketika waktu menuju tak terhingga positif atau negatif, tergantung pada tanda bagian imajinernya. Oleh karena itu, setiap implementasi realistis dari gelombang frekuensi kompleks perlu dipotong dalam waktu untuk menghindari divergensi. Pengukuran optik secara langsung berdasarkan gelombang frekuensi kompleks perlu dilakukan dalam domain waktu dan itu akan melibatkan pengukuran time-gated yang rumit dan oleh karena itu belum direalisasikan secara eksperimental sejauh ini.

Tim ini menggunakan alat bantu matematika Transformasi Fourier untuk memecah CFW yang terpotong menjadi banyak komponen dengan frekuensi nyata yang berbeda, yang sangat memudahkan implementasi CFW untuk berbagai aplikasi, seperti superimaging. Dengan melakukan pengukuran optik pada beberapa frekuensi nyata pada interval yang tetap, dimungkinkan untuk membangun respons optik sistem pada frekuensi yang kompleks dengan menggabungkan frekuensi nyata secara matematis.

Sebagai bukti konsep, tim memulai dengan superimaging pada frekuensi gelombang mikro menggunakan metamaterial hiperbolik. Metamaterial hiperbolik dapat membawa gelombang dengan vektor gelombang yang sangat besar (atau setara dengan panjang gelombang yang sangat kecil), yang mampu mentransmisikan informasi dengan ukuran fitur yang sangat kecil. Namun, semakin besar vektor gelombang, semakin sensitif gelombang tersebut terhadap kehilangan optik. Oleh karena itu, dengan adanya kehilangan, informasi dari ukuran fitur yang kecil itu akan hilang selama perambatan di dalam metamaterial hiperbolik. Para peneliti menunjukkan bahwa, dengan secara tepat memadukan gambar buram yang diukur pada frekuensi nyata yang berbeda, gambar yang jernih pada frekuensi yang kompleks terbentuk dengan resolusi panjang gelombang-dalam.

Tim ini selanjutnya memperluas prinsip ini ke frekuensi optik, menggunakan superlens optik yang terbuat dari kristal fononik yang disebut silikon karbida, yang beroperasi pada panjang gelombang inframerah-jauh sekitar 10 mikrometer. Dalam kristal fononik, getaran kisi dapat berpasangan dengan cahaya untuk menciptakan efek superimaging. Namun demikian, kehilangan masih merupakan faktor pembatas dalam resolusi spasial. Meskipun resolusi spasial pencitraan pada semua frekuensi nyata dibatasi oleh kehilangan, seperti yang ditunjukkan oleh gambar buram dari lubang berskala nano, namun pencitraan resolusi sangat tinggi dapat diperoleh dengan CFW yang disintesis, yang terdiri atas beberapa komponen frekuensi.

“Penelitian ini telah memberikan solusi untuk mengatasi kehilangan optik dalam sistem optik, sebuah masalah yang sudah berlangsung lama dalam nanofotonik. Metode frekuensi kompleks yang disintesis dapat dengan mudah diperluas ke aplikasi lain, termasuk penginderaan molekuler dan sirkuit terpadu nanofotonik,” kata Profesor Xiang ZHANG, penulis lain dari makalah tersebut, Presiden dan Wakil Rektor HKU, dan juga Ketua Fisika dan Teknik.

Dia memuji ini sebagai metode yang luar biasa dan dapat diterapkan secara universal, “Ini dapat dimanfaatkan untuk mengatasi kehilangan dalam sistem gelombang lainnya, termasuk gelombang suara, gelombang elastis, dan gelombang kuantum, meningkatkan kualitas pencitraan ke tingkat yang lebih tinggi.

“Metode mensintesis beberapa gelombang frekuensi adalah teknik praktis untuk mengatasi hilangnya sistem fotonik yang melekat. Metode ini tidak hanya unggul dalam bidang pencitraan metalens, tetapi juga dapat diperluas ke bidang optik lainnya, seperti penginderaan molekuler polariton dan pandu gelombang. Ini memberikan cara potensial untuk meningkatkan kinerja optik multi-band dan merancang chip fotonik terintegrasi dengan kepadatan tinggi. dari Hong Kong, mengatakan bahwa metode baru ini memiliki penerapan yang luas, katanya: “Metode ini dapat diperluas ke sistem gelombang lain, seperti gelombang akustik, gelombang elastis, dan gelombang kuantum, untuk memecahkan masalah kehilangan cahaya dan meningkatkan kualitas gambar ke level lain.”

Penelitian ini didukung oleh New Cornerstone Science Foundation dan Hong Kong Research Grants Council.

Makalah penelitian: ‘Mengatasi kehilangan lensa super dengan gelombang sintetis frekuensi kompleks’, Science.

Jurnal tersebut dapat diakses di: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1267

Lebih rinci tentang Profesor Shuang Zhang, Silahkan Kunjungi: https://shorturl.at/efCN1