Ilmuwan Mengungkap Keadaan Materi yang “Mustahil” yang Padat dan Superfluida

Pengamatan Pertama Tornado Mini di Gas Kuantum Superpadat

Dalam sebuah terobosan, para ilmuwan mengkonfirmasi sifat superfluida dalam superpadat dengan mengamati vortisitas terkuantisasi. Dengan menggunakan teknik presisi, tim mengaduk superpadat yang berputar, mengungkap dinamika pusaran yang unik dan menawarkan wawasan baru tentang koeksistensi karakteristik padat dan fluida. Penemuan ini membuka jalan untuk mempelajari materi kuantum eksotik dan memiliki implikasi terhadap fenomena astrofisika.

Superpadat: Paradoks Kuantum

Materi yang berperilaku seperti benda padat dan superfluida pada saat yang sama mungkin terdengar mustahil. Namun lebih dari 50 tahun yang lalu, fisikawan meramalkan bahwa mekanika kuantum dapat memungkinkan keadaan seperti itu. Dalam keadaan unik ini, kumpulan partikel menunjukkan sifat-sifat yang tampak kontradiktif. Francesca Ferlaino dari Departemen Fisika Eksperimental di Universitas Innsbruck dan Institut Optik Kuantum dan Informasi Kuantum (IQOQI) di Akademi Ilmu Pengetahuan Austria menjelaskan, “Ini mirip dengan kucing Schrödinger, yang hidup dan mati, a superpadat bersifat kaku dan cair.”

ADVERTISEMENT

SCROLL TO RESUME CONTENT

Meskipun para ilmuwan telah berhasil mengamati secara langsung struktur kristal yang memberikan kualitas “padat” pada superpadat, sifat superfluidanya lebih sulit dipahami. Para peneliti telah mempelajari berbagai aspek perilaku superfluida, seperti koherensi fase dan mode Goldstone tanpa celah, namun mereka belum menemukan bukti langsung dari salah satu ciri utama superfluiditas: vortisitas terkuantisasi.

Dalam sebuah terobosan besar, vortisitas terkuantisasi kini telah diamati dalam superpadat dua dimensi yang berputar. Temuan ini memberikan bukti aliran superfluida dalam superpadat yang telah lama ditunggu-tunggu dan menandai kemajuan signifikan dalam studi materi kuantum termodulasi.

Eksperimen yang Menantang dan Teknik Presisi

Dalam studi baru ini, para ilmuwan menggabungkan model teoritis dengan eksperimen mutakhir untuk menciptakan dan mengamati vortisitas dalam superpadat dipolar—suatu prestasi yang terbukti sangat menantang. Tim Innsbruck sebelumnya telah mencapai terobosan pada tahun 2021 dengan menciptakan superpadat dua dimensi pertama yang berumur panjang dalam gas atom erbium yang sangat dingin, yang merupakan tugas yang sulit.

“Langkah selanjutnya—mengembangkan cara untuk mengaduk superpadat tanpa merusak kondisi rapuhnya—memerlukan ketelitian yang lebih tinggi lagi” jelas penulis utama Eva Casotti. Dengan menggunakan teknik presisi tinggi yang dipandu oleh teori, para peneliti menggunakan medan magnet untuk memutar superpadat secara hati-hati. Karena cairan tidak berputar secara kaku, pengadukan ini menyebabkan terbentuknya vortisitas terkuantisasi, yang merupakan sidik jari hidrodinamik dari superfluiditas.

“Pekerjaan ini merupakan langkah maju yang signifikan dalam memahami perilaku unik superpadat dan potensi penerapannya di bidang materi kuantum,” kata Francesca Ferlaino.

Selain itu, percobaan ini memakan waktu hampir satu tahun, mengungkapkan perbedaan signifikan antara dinamika vortisitas dalam superpadat dan cairan kuantum yang tidak termodulasi, dan menawarkan wawasan baru tentang bagaimana karakteristik superfluida dan padat hidup berdampingan dan berinteraksi dalam keadaan kuantum yang eksotis ini.

Menjelajahi Koneksi Fisika dan Astrofisika Baru

Implikasi dari penemuan ini menjangkau jauh melampaui laboratorium, berpotensi berdampak pada berbagai bidang mulai dari fisika benda terkondensasi hingga astrofisika, di mana fase kuantum serupa mungkin ada dalam kondisi ekstrem.

“Temuan kami membuka pintu untuk mempelajari sifat hidrodinamik sistem kuantum eksotik dengan banyak simetri yang rusak, seperti kristal kuantum dan bahkan bintang neutron,” kata Thomas Bland, yang memandu pengembangan teoritis proyek tersebut. “Misalnya, diasumsikan bahwa perubahan kecepatan rotasi yang diamati pada bintang neutron—yang disebut gangguan—disebabkan oleh pusaran superfluida yang terperangkap di dalam bintang neutron. Platform kami menawarkan kesempatan untuk mensimulasikan fenomena seperti itu di Bumi.” Pusaran superfluida juga diyakini ada pada superkonduktor, yang dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan. “

Pekerjaan kami merupakan tonggak penting dalam penyelidikan fisika baru,” kata Francesca Ferlaino. “Kami dapat mengamati fenomena fisik di laboratorium yang terjadi di alam hanya dalam kondisi yang sangat ekstrem, seperti pada bintang neutron.”

Referensi: “Pengamatan vortisitas dalam superpadat dipolar” oleh Eva Casotti, Elena Poli, Lauritz Klaus, Andrea Litvinov, Clemens Ulm, Claudia Politi, Manfred J. Mark, Thomas Bland dan Francesca Ferlaino, 6 November 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-08149-7

Karya itu diterbitkan di Alam dan didanai oleh Austrian Science Fund FWF, Austrian Research Promotion Agency FFG, dan Uni Eropa.