5 hours ago
3
Fisikawan MIT berhasil memotret atom individu yang berinteraksi bebas di ruang angkasa, mengungkap fenomena kuantum yang sebelumnya hanya bisa diprediksi.(MIT)
FISIKAWAN MIT berhasil menangkap gambar pertama dari atom-atom individu yang berinteraksi bebas di ruang angkasa. Gambar-gambar ini mengungkap korelasi antar partikel “bebas” yang sebelumnya hanya diprediksi namun belum pernah diamati secara langsung.
Temuan mereka, yang dimuat dalam jurnal Physical Review Letters, akan membantu para ilmuwan memvisualisasikan fenomena kuantum yang belum pernah terlihat sebelumnya dalam ruang nyata.
Gambar-gambar tersebut diambil menggunakan teknik yang dikembangkan oleh tim MIT, di mana awan atom dibiarkan bergerak dan berinteraksi secara bebas terlebih dahulu. Para peneliti kemudian menyalakan kisi cahaya yang membekukan posisi atom-atom tersebut sesaat, lalu menyinari mereka dengan laser yang sangat presisi untuk menghasilkan gambar posisi atom sebelum mereka menyebar secara alami.
Para fisikawan menerapkan teknik ini untuk memvisualisasikan awan dari berbagai jenis atom dan berhasil mencatat sejumlah pencapaian pencitraan baru. Mereka mengamati secara langsung atom-atom yang disebut “boson”, yang berkumpul bersama dalam fenomena kuantum membentuk gelombang.
Mereka juga menangkap atom-atom yang dikenal sebagai “fermion” saat berpasangan di ruang bebas — mekanisme utama yang memungkinkan terjadinya superkonduktivitas.
“Kami bisa melihat atom-atom tunggal di dalam awan-awan menarik ini dan melihat bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain, dan itu sangat indah,” ujar Martin Zwierlein, Profesor Fisika Thomas A. Frank di MIT.
Dalam edisi jurnal yang sama, dua kelompok peneliti lain juga melaporkan penggunaan teknik pencitraan serupa, termasuk tim yang dipimpin peraih Nobel Wolfgang Ketterle, Profesor Fisika John D. MacArthur di MIT. Kelompok Ketterle memvisualisasikan korelasi pasangan yang ditingkatkan di antara boson, sementara kelompok lain dari École Normale Supérieure di Paris, dipimpin oleh Tarik Yefsah, mantan postdoktoral di lab Zwierlein, memotret awan fermion yang tidak saling berinteraksi.
Di dalam awan
Satu atom memiliki diameter sekitar sepersepuluh nanometer — satu juta kali lebih tipis dari sehelai rambut manusia. Tidak seperti rambut, atom berperilaku dan berinteraksi sesuai aturan mekanika kuantum; sifat kuantumnya inilah yang membuat atom sulit dipahami. Misalnya, kita tidak bisa mengetahui secara bersamaan posisi dan kecepatan pasti sebuah atom.
Ilmuwan dapat menerapkan berbagai metode untuk memotret atom individu, termasuk pencitraan absorpsi, di mana cahaya laser disinarkan ke awan atom dan bayangannya ditangkap kamera.
“Teknik-teknik ini memungkinkan kita melihat bentuk dan struktur keseluruhan awan atom, tetapi bukan atom-atom individunya,” jelas Zwierlein. “Itu seperti melihat awan di langit, tapi bukan molekul air yang menyusunnya.”
Zwierlein dan timnya mengambil pendekatan berbeda untuk secara langsung memotret interaksi atom di ruang bebas. Teknik mereka, yang disebut “mikroskopi atom-resolved”, melibatkan pengurungan awan atom dalam perangkap longgar yang dibentuk oleh sinar laser.
Perangkap ini menjaga atom-atom tetap dalam satu tempat agar bisa saling berinteraksi bebas. Kemudian mereka menyalakan kisi cahaya yang membekukan posisi atom, lalu menyinari dengan laser kedua yang membuat atom memancarkan cahaya fluoresen, sehingga posisi masing-masing atom dapat dilihat.
“Bagian tersulit adalah menangkap cahaya dari atom-atom ini tanpa membuat mereka ‘mendidih’ keluar dari kisi optik,” kata Zwierlein.
“Bayangkan jika Anda menyemburkan penyembur api ke atom-atom ini, mereka tentu tak akan suka. Jadi, selama bertahun-tahun kami mempelajari berbagai trik untuk melakukannya. Dan ini pertama kalinya kami melakukannya secara in-situ, di mana kami dapat membekukan gerakan atom saat mereka sedang berinteraksi kuat, dan melihatnya satu per satu. Inilah yang membuat teknik ini lebih unggul dari sebelumnya.”
Kelompok dan pasangan
Tim MIT menerapkan teknik pencitraan ini untuk mengamati langsung interaksi antara boson dan fermion. Contoh boson adalah foton, sedangkan elektron adalah contoh fermion. Sebuah atom bisa menjadi boson atau fermion, tergantung pada jumlah total spin-nya — ditentukan dari jumlah proton, neutron, dan elektron yang genap (boson) atau ganjil (fermion). Secara umum, boson saling tarik-menarik, sementara fermion saling tolak-menolak.
Zwierlein dan timnya pertama-tama memotret awan boson yang terdiri dari atom natrium. Pada suhu rendah, awan boson membentuk yang dikenal sebagai Bose-Einstein condensate, suatu keadaan materi di mana semua boson berbagi keadaan kuantum yang sama. Ketterle dari MIT adalah salah satu ilmuwan pertama yang memproduksi kondensat Bose-Einstein dari atom natrium, yang membuatnya mendapat Hadiah Nobel Fisika tahun 2001.
Kini, kelompok Zwierlein dapat memotret atom natrium individu dalam awan tersebut dan mengamati interaksi kuantumnya. Telah lama diprediksi bahwa boson akan cenderung “berkelompok”, dengan kemungkinan tinggi berada dekat satu sama lain. Pengelompokan ini merupakan konsekuensi langsung dari kemampuan mereka untuk berbagi satu gelombang kuantum yang sama. Karakter seperti gelombang ini pertama kali diprediksi oleh fisikawan Louis de Broglie, dan hipotesis gelombang de Broglie ini turut memicu lahirnya mekanika kuantum modern.
“Kita memahami begitu banyak hal tentang dunia dari sifat bergelombang ini,” kata Zwierlein. “Tapi sangat sulit mengamati efek kuantum yang seperti gelombang ini. Namun dengan mikroskop baru kami, kami bisa melihat langsung gelombang itu.”
Dalam eksperimen pencitraannya, tim MIT berhasil melihat secara in-situ untuk pertama kalinya boson yang berkelompok saat mereka berbagi satu gelombang de Broglie yang terhubung secara kuantum. Mereka juga memotret awan yang terdiri dari dua jenis atom litium.
Masing-masing adalah fermion, yang secara alami menolak sesamanya, tetapi bisa berinteraksi kuat dengan jenis fermion lainnya. Saat mereka memotret awan tersebut, para peneliti mengamati bahwa pasangan fermion berbeda jenis memang saling berinteraksi dan membentuk pasangan — suatu bentuk keterikatan yang untuk pertama kalinya bisa dilihat secara langsung.
“Jenis keterikatan ini adalah dasar dari konstruksi matematis yang dikembangkan untuk menjelaskan eksperimen. Tapi ketika Anda melihat gambar seperti ini, itu menunjukkan dalam sebuah foto, objek yang sebelumnya hanya ditemukan dalam dunia matematika,” kata Richard Fletcher, rekan penulis studi. “Jadi ini pengingat indah bahwa fisika adalah tentang hal-hal fisik. Ini nyata.”
Ke depan, tim ini akan menerapkan teknik pencitraan mereka untuk memvisualisasikan fenomena yang lebih eksotis dan kurang dipahami, seperti “fisika quantum Hall” — situasi di mana elektron yang berinteraksi menunjukkan perilaku terkoordinasi yang aneh di bawah pengaruh medan magnet.
“Itulah wilayah yang teorinya menjadi sangat rumit — di mana orang mulai menggambar kartun karena tidak bisa menuliskan teori lengkap karena tak dapat menyelesaikannya,” ujar Zwierlein. “Sekarang kami bisa memverifikasi apakah kartun-kartun dari keadaan quantum Hall itu benar-benar nyata. Karena mereka adalah keadaan yang sangat aneh.” (ScienceDaily/Z-2)
