Gelombang Suara Ultrahigh Frequency pada Skala Nanometer

Kemajuan berhasil dicapai pada gelombang suara di bidang kedokteran yang berpotensi menghasilkan pencitraan dengan resolusi 1.000 kali lebih tinggi dibanding apa yang bisa dilakukan saat ini. Para peneliti dari Berkeley Lab menunjukkan teknik yang mampu menghasilkan, mendeteksi, dan mengendalikan gelombang suara ultrahigh frequency pada skala nanometer.

Gelombang Suara Ultrahigh Frequency pada Skala Nanometer

Melalui kombinasi pulsa laser pikosekon dan struktur nano yang unik, tim yang dipimpin oleh Xiang Zhang ini menghasilkan energi vibrasi dari quasi partikel foton akustik yang bekerja pada frekuensi 10 gigahertz. Sebagai perbandingan, gelombang suara medis saat ini biasanya berada pada frekuensi sekitar 20 megahertz.

Hasil ini tidak hanya menjanjikan resolusi yang belum pernah terjadi sebelumnya dari pencitraan akustik, mereka juga bisa digunakan untuk “melihat” struktur permukaan pada sistem berskala nano dimana mikroskop optik dan elektron belum mampu melakukannya.

“Kami telah menunjukkan manipulasi optik koheren dan deteksi dari foton akustik pada struktur nano yang menawarkan kemungkinan baru pada perkembangan struktur fonon yang koheren dan perangkat nano-fononik untuk pengindraan zat kimia, manajemen energi termal dan komunikasi,” ujar Zhang, yang juga profesor di University of California (UC) Berkeley.

Pencitraan akustik menawarkan berbagai manfaat dibanding pencitraan optik. Kemampuan gelombang suara untuk melewati jaringan biologis telah membuat sonogram sebagai perangkat diagnostik medis yang populer. Gelombang suara juga telah menjadi perangkat behrarga untuk pengujian material non-destruktif. Belakangan, gelombang suara ultrahigh frequency telah menjadi subjek yang banyak dikaji secara ilmiah.

Fonon pada frekuensi gigahertz mampu melewati material yang tidak tembus foton, partikel yang terdapat pada cahaya. Sementara fonon yang berfrekuensi lebih tinggi mampu membawa resolusi yang lebih tajam dari pencitraan gelombang suara.

Tantangan terbesar saat ini adalah menemukan cara efektif untuk menghasilkan, mendeteksi, dan mengatur gelombang suara ultrahigh frequency. Zhang, O’Brien, Lanzillotti-Kimura, dan rekan-rekannya mampu mengatasi masalah ini melalui desain struktur nano yang mendukung berbagai mode fonon dan plasmon. Plasmon merupakan gelombang yang bergulung melalui konduksi elektron pada permukaan logam.

“Melalui kombinasi antara fonon dan plasmon pada permukaan yang terbatas, kami dapat mendeteksi properti spasial dari mode fonon yang kompleks dibawah panjang gelombang optik,” ujar O’Brien. “Cara ini memungkinkan kita untuk mendeteksi dinamika nano kompleks menggunakan spektroskop penyerapan transien yang terpolarisasi penuh.”

Plasmon dapat digunakan untuk membatasi cahaya pada dimensi panjang gelombang dan dianggap sebagai kandidat yang tepat untuk memanipulasi gerakan mekanis skala nano karena kemampuan penyerapan mereka dalam penampang yang bersilangan, medan panjang gelombang yang terbatas, dan sensitivitas tinggi pada perubahan indeks geometri dan pemantulan.

“Untuk menghasilkan frekuensi akustik 10 GHz pada struktur nano plasmoni, kami menggunakan teknik yang dikenal sebagai picosecond ultrasonik“. “Pulsa cahaya laser berperiode sub-pikosekon merangsang plasmon yang mendisipasi energi mereka sebagai panas. Struktur nano mengembang dengan cepat dan menghasilkan fonon akustik yang koheren. Proses ini mengubah foton dari laser menjadi fonon yang koheren.”

Gelombang Suara untuk Aplikasi Material Lainnya

Struktur nano plasmonik yang dirancang terbuat dari emas dan berbentuk seperti salib-Swiss. Setiap persimpangan memiliki tebal 35 nanometer dengan panjang horizontal 120 nanometer dan vertikal 90 nanometer. Ketika dua bidang tersebut terosilasi, mereka akan menghasilkan fonon yang simetris. Jika dua bidang tersebut berosilasi pada fase yang berlawanan, mereka akan menghasilkan fonon yang anti-simetris.

“Perbedaan fase dari mode fonon menghasilkan efek interferensi yang memungkinkan kita untuk memisahkan antara fonon mode simetris dan anti-simetris menggunakan permukaan plasmon yang dibatasi,” ujar O’Brien. “Mampu menghasilkan dan mendeteksi mode fonon pada simetris yang berbeda atau distribusi spasial dalam struktur akan meningkatkan kemampuan kita untuk mendeteksi gerakan berskala nano dan merupakan langkah menuju beberapa aplikasi potensial dari fonon akustik ultrahigh frequency.”

Dengan selektif merangsang dan mendeteksi gerakan mekanis gigahertz, desain salib-Swiss dari struktur nano plasmonik menjadi mampu memiliki kemampuan mengatur dan merasakan sesuai dengan yang dibutuhkan untuk pencitraan akustik ultrahigh frequency. Bagi ilmu material, vibrasi gelombang suara dapat digunakan sebagai “palu” berskala nano yang menentukan tekanan fisik pada sendi berbeda dari ultrahigh frequency.

Tekanan ini kemudian dideteksi melalui pengamatan respon plasmonik. Zhang dan kelompok risetnya berencana menggunakan palu berskala nano ini untuk menghasilkan dan mendeteksi vibrasi gelombang suara pada sistem lainnya, seperti material dua dimensional.

Sumber: Lawrence Berkeley National Laboratory

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *