September 26, 2022

Di pinggiran kota Chicago, sekitar 34 mil sebelah barat Danau Michigan, terdapat sebuah lubang di tanah yang membentang sekitar 330 kaki lurus ke bawah. Dahulu kala, para ilmuwan memiliki poros yang dibor untuk eksperimen fisika partikel yang telah lama menghilang dari dunia ini. Sekarang, dalam beberapa tahun, mereka akan menggunakan kembali poros untuk proyek baru dengan nama mistik MAGIS-100.

Ketika MAGIS-100 selesai, fisikawan berencana menggunakannya untuk mendeteksi harta karun tersembunyi: materi gelap, yang tak terlihat misterius sesuatu yang diperkirakan membentuk sebagian besar alam semesta; dan gelombang gravitasi, riak dalam ruang-waktu yang disebabkan oleh guncangan kosmik seperti tabrakan lubang hitam. Mereka berharap menemukan jejak fenomena yang sulit dipahami itu dengan mengamati tanda tangan kuantum yang mereka tinggalkan di awan atom strontium seukuran tetesan air hujan.

Tetapi sebenarnya mengamati atom-atom itu lebih sulit dari yang Anda duga. Untuk melakukan eksperimen serupa, fisikawan sejauh ini mengandalkan kamera yang sebanding dengan yang ada di smartphone. Dan sementara teknologinya mungkin bekerja dengan baik untuk matahari terbenam atau bidikan makanan yang tampak lezat, teknologi ini membatasi apa yang dapat dilihat fisikawan pada tingkat atom.

[Related: It’s pretty hard to measure nothing, but these engineers are getting close]

Untungnya, beberapa fisikawan mungkin memiliki peningkatan. Sebuah tim peneliti dari berbagai kelompok di Stanford, California, telah menciptakan alat kamera unik yang mengandalkan kubah cermin. Pantulan ekstra membantu mereka melihat cahaya apa yang masuk ke lensa, dan memberi tahu dari sudut mana sepetak cahaya itu berasal. Itu, mereka berharap, akan membiarkan mereka mengintip ke dalam awan atom yang belum pernah ada sebelumnya.

See also  Bagaimana cara kerja kembang api? | Ilmu pengetahuan populer

Kamera ponsel atau DSLR Anda tidak peduli dari mana datangnya cahaya: Kamera ini menangkap intensitas foton dan warna yang dipantulkan oleh panjang gelombang, sedikit lagi. Untuk memotret keluarga Anda, pemandangan kota, atau Grand Canyon, itu bagus dan bagus. Tetapi untuk mempelajari atom, masih ada sedikit hal yang diinginkan. “Anda membuang banyak cahaya,” kata Murtaza Safdari, mahasiswa pascasarjana fisika di Universitas Stanford dan salah satu pencipta.

Fisikawan ingin menyimpan informasi itu karena memungkinkan mereka melukis gambar 3D yang lebih kompleks dari objek (atau objek) yang mereka pelajari. Dan ketika sampai pada analisis rewel yang ingin dilakukan fisikawan, semakin banyak informasi yang bisa mereka dapatkan dalam satu kesempatan, semakin cepat dan lebih baik.

Salah satu cara untuk mendapatkan informasi tersebut adalah dengan menyiapkan beberapa kamera, memungkinkan mereka mengambil gambar dari berbagai sudut dan menyatukannya untuk tampilan yang lebih detail. Itu bisa bekerja dengan baik, katakanlah, lima kamera. Tetapi beberapa eksperimen fisika memerlukan pengukuran yang begitu presisi sehingga bahkan seribu kamera pun mungkin tidak berhasil.

Kamera potong laser yang dicetak 3D. Sanha Cheong/Universitas Stanford

Jadi, di ruang bawah tanah Stanford, para peneliti memutuskan untuk membuat sistem mereka sendiri untuk mengatasi masalah itu. “Pemikiran kami…pada dasarnya adalah: Bisakah kami mencoba dan sepenuhnya menangkap informasi sebanyak yang kami bisa, dan dapatkah kami menyimpan informasi arah?” kata Safdari.

Prototipe yang dihasilkan—terbuat dari komponen yang siap pakai dan dicetak 3D—tampak seperti kubah dangkal, berbintik-bintik dengan susunan titik-titik kecil seperti cermin di bagian dalamnya. Pola tersebut tampaknya membentuk ilusi optik lingkaran konsentris yang menyenangkan, tetapi pola ini diperhitungkan dengan cermat untuk memaksimalkan cahaya yang mengenai kamera.

Untuk proyek MAGIS-100, subjek bidikan—awan atom strontium—akan berada di dalam kubah. Kilatan cahaya singkat dari sinar laser eksternal kemudian akan menyebar dari titik-titik cermin dan melalui awan pada berbagai sudut. Lensa akan menangkap pantulan yang dihasilkan, bagaimana mereka berinteraksi dengan molekul, dan titik mana yang memantul.

See also  Hemat $200 untuk generator bahan bakar duel bersertifikat EPA ini di Walmart

Kemudian, dari informasi itu, algoritme pembelajaran mesin dapat menyatukan kembali struktur tiga dimensi cloud. Saat ini, rekonstruksi ini memakan waktu beberapa detik; di dunia yang ideal, itu akan memakan waktu milidetik, atau bahkan kurang. Tapi, seperti algoritma yang digunakan untuk melatih mobil self-driving untuk menyesuaikan diri dengan dunia sekitarnya, para peneliti berpikir kinerja kode komputer mereka akan meningkat.

Sementara pembuatnya belum sempat menguji kamera pada atom dulu, mereka mencobanya dengan memindai beberapa bagian sampel berukuran sesuai: potongan berbentuk huruf cetak 3D seukuran tetesan strontium yang ingin mereka gunakan. Foto yang mereka ambil sangat jelas, mereka dapat menemukan cacat di mana huruf kecil D, O, dan E berbeda dari desain yang dimaksudkan.

Huruf cetak 3D difoto dan dimodelkan 3D pada kisi
Rekonstruksi huruf uji dari sejumlah sudut. Laboratorium Akselerator Nasional Sanha Cheong/SLAC

Untuk eksperimen atom seperti MAGIS-100, peralatan ini berbeda dari apa pun yang ada di pasaran. “Kecanggihannya hanyalah kamera, kamera komersial, dan lensa,” kata Ariel Schwartzman, fisikawan di SLAC National Accelerator Laboratory di California dan co-creator setup Stanford. Mereka menjelajahi katalog peralatan foto untuk mencari sesuatu yang bisa melihat awan atom dari berbagai sudut sekaligus. “Tidak ada yang tersedia,” kata Schwartzman.

Masalah yang rumit adalah bahwa banyak eksperimen membutuhkan atom untuk beristirahat dalam suhu yang sangat dingin, hampir di atas nol mutlak. Ini berarti mereka membutuhkan kondisi cahaya rendah — menyinari sumber cahaya terang apa pun terlalu lama dapat memanaskannya terlalu cepat. Menyetel waktu eksposur yang lebih lama pada kamera dapat membantu, tetapi juga berarti mengorbankan beberapa detail dan informasi yang diperlukan dalam gambar akhir. “Anda membiarkan awan atom menyebar,” kata Sanha Cheong, mahasiswa pascasarjana fisika di Universitas Stanford dan anggota kru pembuat kamera. Kubah cermin, di sisi lain, bertujuan untuk menggunakan hanya kilatan laser singkat dengan paparan mikrodetik.

See also  Bayar apa yang Anda inginkan untuk paket pelatihan Python yang penuh sesak ini

[Related: Stanford researchers want to give digital cameras better depth perception]

Tantangan pencipta berikutnya adalah untuk benar-benar menempatkan kamera di MAGIS-100, yang akan membutuhkan banyak mengutak-atik untuk menyesuaikan kamera ke poros yang jauh lebih besar dan dalam ruang hampa. Tapi fisikawan berharap: Kamera seperti ini mungkin lebih jauh dari mendeteksi efek tidak jelas di sekitar atom. Perancangnya berencana menggunakannya untuk segala hal mulai dari melacak partikel dalam plasma hingga mengukur kontrol kualitas suku cadang kecil di pabrik.

“Untuk dapat menangkap cahaya dan informasi sebanyak mungkin dalam satu bidikan dalam eksposur sesingkat mungkin—ini membuka pintu baru,” kata Cheong.