Keadaan materi kuantum yang unik muncul di Kolombia

Fisikawan di Universitas Columbia Mereka telah membawa molekul ke tingkat ekstrem baru yang sangat dingin dan menciptakan keadaan materi di mana mekanika kuantum berkuasa.

Ada BEC baru yang menarik di kota ini yang tidak ada hubungannya dengan bacon, telur, dan keju. Anda tidak akan menemukannya di department store setempat, tetapi di tempat terdingin di New York: laboratorium fisikawan Sebastian Weyl dari Universitas Columbia, yang kelompok eksperimennya mengkhususkan diri dalam mendorong atom dan molekul ke suhu yang hanya sepersekian derajat lebih tinggi. Nol mutlak.

Tulis di alamLab Weyl, dengan dukungan kolaborator teoretis Tijs Karman di Universitas Radboud di Belanda, telah berhasil menciptakan keadaan materi kuantum unik yang disebut kondensat Bose-Einstein (BEC) dari molekul.

Terobosan dalam kondensat Bose-Einstein

BEC mereka didinginkan hingga hanya lima nanokelvin, atau sekitar -459,66 derajat Fahrenheit, stabil selama dua detik, dan terbuat dari molekul natrium dan cesium. Seperti molekul air, molekul-molekul ini bersifat polar, artinya mereka membawa muatan positif dan muatan negatif. Weil mencatat bahwa distribusi muatan listrik yang tidak seimbang memfasilitasi interaksi jangka panjang yang membentuk fisika paling menarik.

Penelitian yang sangat menarik untuk dilakukan oleh Weill Lab dengan Bose-Einstein Molecular melibatkan eksplorasi sejumlah fenomena kuantum yang berbeda, termasuk jenis superfluiditas baru, keadaan materi yang mengalir tanpa mengalami gesekan apa pun. Mereka juga berharap untuk mengubah Bose-Einstein menjadi simulator yang dapat menciptakan kembali sifat kuantum misterius dari material yang lebih kompleks, seperti kristal padat.

Dengan bantuan gelombang mikro, fisikawan Columbia telah menciptakan kondensat Bose-Einstein, suatu wujud materi yang unik, dari molekul natrium dan cesium. Kredit gambar: Well Lab, Universitas Columbia/Miles Marshall

“Kondensat molekuler Bose-Einstein membuka bidang penelitian yang benar-benar baru, mulai dari pemahaman fisika dasar hingga pengembangan simulasi kuantum yang kuat,” katanya. “Ini merupakan pencapaian yang menggembirakan, namun ini sebenarnya baru permulaan.”

Ini adalah mimpi yang menjadi kenyataan bagi Weill Lab, dan satu dekade lagi akan terwujud bagi komunitas penelitian ultradingin yang lebih besar.

Molekul yang sangat dingin, sedang dalam proses pembuatan selama satu abad

Ilmu pengetahuan tentang KBG sudah ada sejak berabad-abad yang lalu sejak fisikawan Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein. Dalam serangkaian makalah yang diterbitkan pada tahun 1924 dan 1925, mereka memperkirakan bahwa kumpulan partikel yang didinginkan hingga hampir berhenti akan menyatu menjadi atom tunggal yang lebih besar dengan sifat dan perilaku umum yang ditentukan oleh hukum mekanika kuantum. Jika BEC dapat diciptakan, hal ini akan memberikan para peneliti platform yang menarik untuk mengeksplorasi mekanika kuantum pada skala yang lebih mudah diakses daripada atom atau molekul individual.

Butuh waktu sekitar 70 tahun sejak prediksi teoretis pertama tersebut, namun BEC atom pertama diciptakan pada tahun 1995. Pencapaian ini diakui dengan Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2001, sekitar waktu Weyl memulai studinya di bidang fisika di Universitas Mainz. Di Jerman. Laboratorium kini secara rutin memproduksi atom Bose-Einstein dari beberapa jenis atom berbeda. KBG ini telah memperluas pemahaman kita tentang konsep-konsep seperti sifat gelombang materi dan superfluida, serta mengarah pada pengembangan teknologi seperti mikroskop gas kuantum dan simulator kuantum, dan masih banyak lagi.

Dari kiri ke kanan: Associate Research Scientist Ian Stevenson; Mahasiswa PhD Niccolò Bigagli; Mahasiswa PhD Weijun Yuan; Mahasiswa Universitas Boris Bulatovich; mahasiswa doktoral Siwei Zhang; dan penyelidik utama Sebastian Weil. Tidak ditampilkan: Tejce Kerman. Kredit: Universitas Columbia

Namun atom, secara umum, relatif sederhana. Mereka adalah benda bulat dan biasanya tidak mengandung interaksi yang mungkin timbul dari polaritas. Sejak KBG atom pertama dicapai, para ilmuwan ingin membuat versi molekul yang lebih kompleks. Tetapi bahkan molekul diatomik sederhana yang terdiri dari dua atom unsur berbeda yang terikat bersama terbukti sulit untuk didinginkan di bawah suhu yang diperlukan untuk membentuk BEC yang tepat.

Terobosan pertama terjadi pada tahun 2008 ketika Deborah Jin dan Jun Yi, fisikawan di Gila Institute di Boulder, Colorado, mendinginkan gas molekul kalium dan rubidium hingga sekitar 350 nanokelvin. Molekul ultradingin tersebut telah terbukti berguna untuk melakukan simulasi kuantum, mempelajari tumbukan molekul, dan kimia kuantum dalam beberapa tahun terakhir, namun untuk melewati ambang batas BEC, diperlukan suhu yang lebih rendah.

Pada tahun 2023, dia mendirikan Will's Lab Gas pertama yang sangat dingin molekul yang mereka pilih, natrium dan cesium, menggunakan kombinasi pendinginan laser dan manipulasi magnet, mirip dengan pendekatan Jin Wei. Untuk membuatnya lebih dingin, mereka membawa microwave.

Inovasi dengan microwave

Gelombang mikro adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik dan memiliki sejarah panjang di Kolombia. Pada tahun 1930-an, fisikawan Isidore Isaac Rabi, yang kemudian memenangkan Hadiah Nobel Fisika, melakukan penelitian perintis dalam gelombang mikro yang mengarah pada pengembangan sistem radar udara. “Rabe adalah salah satu orang pertama yang menguasai keadaan kuantum molekul dan merupakan pionir dalam penelitian gelombang mikro,” kata Weil. “Bisnis kami mengikuti tradisi 90 tahun ini.”

Meski Anda mungkin sudah familiar dengan peran gelombang mikro dalam memanaskan makanan, ternyata gelombang mikro juga dapat memperlancar proses pendinginan. Molekul individu cenderung bertabrakan satu sama lain dan, sebagai hasilnya, membentuk kompleks yang lebih besar yang menghilang dari sampel. Gelombang mikro dapat menciptakan perisai kecil di sekitar setiap molekul, mencegahnya bertabrakan, sebuah ide yang diajukan oleh Karman, rekan mereka di Belanda. Dengan molekul-molekul yang terlindung dari tumbukan yang terlewat, hanya molekul terpanas yang dapat dihilangkan dari sampel, yang merupakan prinsip fisik yang sama dengan mendinginkan cangkir kopi ketika Anda meniup bagian atasnya, jelas penulis Niccolò Bigagli. Molekul-molekul yang tersisa akan menjadi lebih dingin, dan suhu sampel secara keseluruhan akan menurun.

Tim ini hampir saja menciptakan BEC molekuler pada musim gugur yang lalu dalam karya yang diterbitkan di Fisika alam Yang memperkenalkan metode pelindung gelombang mikro. Namun diperlukan pengembangan eksperimental lain. Ketika mereka menambahkan medan gelombang mikro kedua, pendinginan menjadi lebih efisien, dan natrium cesium akhirnya melewati ambang batas BEC, sebuah tujuan yang telah dicapai laboratorium Weill sejak dibuka di Kolombia pada tahun 2018.

“Ini adalah akhir yang luar biasa bagi saya,” kata Bigagli, yang lulus dengan gelar doktor di bidang fisika musim semi ini dan merupakan anggota pendiri laboratorium tersebut. “Kami beralih dari belum memiliki laboratorium hingga mencapai hasil yang luar biasa ini.”

Selain mengurangi tumbukan, medan gelombang mikro kedua juga dapat mengontrol orientasi molekul. Hal ini, pada gilirannya, merupakan cara untuk mengontrol cara mereka berinteraksi, yang saat ini sedang dieksplorasi oleh laboratorium. “Dengan mengendalikan interaksi dipol ini, kami berharap dapat menciptakan keadaan kuantum dan fase materi baru,” kata Ian Stevenson, salah satu penulis dan peneliti pascadoktoral di Universitas Columbia.

Dunia baru fisika kuantum sedang terbuka

Yi, pionir ilmu pengetahuan ultradingin yang berbasis di Boulder, menganggap hasil penelitian ini sebagai sebuah ilmu pengetahuan yang indah. “Pekerjaan ini akan mempunyai implikasi penting bagi sejumlah bidang ilmiah, termasuk studi kimia kuantum dan eksplorasi material kuantum yang berpasangan kuat,” komentarnya. “Eksperimen Weill menampilkan kontrol interaksi molekuler yang tepat untuk memandu sistem menuju hasil yang diinginkan, sebuah pencapaian luar biasa dalam teknologi kontrol kuantum.”

Sementara itu, tim Columbia sangat antusias untuk mendapatkan gambaran teoritis tentang interaksi antarmolekul yang divalidasi secara eksperimental. “Kami sudah memiliki gambaran bagus tentang interaksi dalam sistem ini, yang juga penting untuk langkah selanjutnya, seperti eksplorasi fisika benda multipolar,” kata Kerman. “Kami membuat skema untuk mengendalikan reaksi, mengujinya secara teoritis, dan menerapkannya dalam eksperimen. Merupakan pengalaman yang sangat keren melihat ide 'perlindungan' gelombang mikro diwujudkan di laboratorium.”

Ada lusinan prediksi teoretis yang kini dapat diuji secara eksperimental menggunakan BEC molekuler, yang menurut rekan penulis pertama dan mahasiswa doktoral Siwei Zhang cukup stabil. Sebagian besar eksperimen ultradingin dilakukan dalam satu detik, ada pula yang hanya beberapa milidetik, namun reaksi molekuler BEC di laboratorium berlangsung lebih dari dua detik. “Ini akan memungkinkan kita menyelidiki pertanyaan terbuka dalam fisika kuantum,” katanya.

Salah satu idenya adalah membuat kristal Bose-Einstein buatan yang terperangkap dalam kisi optik yang terbuat dari laser. Hal ini akan memungkinkan simulasi kuantum kuat yang meniru interaksi dalam kristal alami, kata Weil, dan merupakan area fokus dalam fisika benda terkondensasi. Simulator kuantum biasanya dibuat menggunakan atom, namun atom memiliki interaksi jarak pendek – yang mana atom harus berada di atas satu sama lain – sehingga membatasi sejauh mana atom dapat memodelkan material yang lebih kompleks. “BEC molekuler akan memberikan lebih banyak rasa,” kata Weil.

Ini termasuk dimensi, kata rekan penulis pertama dan mahasiswa doktoral Weijun Yuan. “Kami ingin menggunakan BEC dalam sistem 2D. Ketika Anda berpindah dari 3D ke 2D, Anda selalu dapat mengharapkan munculnya fisika baru. Materi 2D adalah bidang penelitian utama di Universitas Columbia; BEC dapat membantu Weil dan rekan-rekannya dalam bidang Intensif dalam eksplorasi fenomena kuantum termasuk superkonduktivitas, superfluiditas, dan banyak lagi.

“Sepertinya ada peluang baru yang terbuka,” kata Will.

Referensi: “Pengamatan kondensat partikel dipol Bose-Einstein” oleh Niccolò Bigagli, Weijun Yuan, Siwei Zhang, Boris Bulatovic, Tess Carman, Ian Stevenson, dan Sebastian Weyl, 3 Juni 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07492-z