September 26, 2022

Di sebuah laboratorium di Kyoto, Jepang, para peneliti sedang mengerjakan beberapa eksperimen yang sangat keren. Sebuah tim ilmuwan dari Universitas Kyoto dan Universitas Rice di Houston, Texas telah mendinginkan materi hingga sepermiliar derajat nol mutlak (suhu saat semua gerakan berhenti), menjadikannya materi terdingin di seluruh alam semesta . Studi ini diterbitkan dalam edisi September Fisika Alamdan “membuka portal ke alam magnet kuantum yang belum dijelajahi,” menurut Rice University.

“Kecuali sebuah peradaban asing sedang melakukan eksperimen seperti ini sekarang, kapan pun eksperimen ini dijalankan di Universitas Kyoto, ia membuat fermion terdingin di alam semesta,” kata profesor Universitas Rice Kaden Hazzard, penulis teori yang sesuai dari studi tersebut, dan anggota dari Rice Quantum Initiative, dalam siaran persnya. “Fermion bukanlah partikel langka. Mereka termasuk hal-hal seperti elektron dan merupakan salah satu dari dua jenis partikel yang terbuat dari semua materi.”

Warna yang berbeda mewakili enam kemungkinan keadaan spin dari setiap atom. KREDIT: Gambar oleh Ella Maru Studio/Courtesy of K. Hazzard/Rice University Gambar oleh Ella Maru Studio/Courtesy of K. Hazzard/Rice University

Tim Kyoto yang dipimpin oleh penulis studi Yoshiro Takahashi menggunakan laser untuk mendinginkan fermion (atau partikel seperti proton, neutron, dan elektron yang bilangan kuantum spinnya adalah setengah bilangan bulat ganjil seperti 1/2 atau 3/2) atom ytterbium hingga sekitar satu -miliar derajat nol mutlak. Itu kira-kira 3 miliar kali lebih dingin dari ruang antarbintang. Area ruang angkasa ini masih dihangatkan oleh latar belakang gelombang mikro kosmik (CMB), atau sisa-sisa radiasi dari Big Bang… sekitar 13,7 miliar tahun yang lalu. Wilayah ruang angkasa terdingin yang diketahui adalah Nebula Boomerang, yang memiliki suhu satu derajat di atas nol mutlak dan berjarak 3.000 tahun cahaya dari Bumi.

See also  Mengapa para ilmuwan menakut-nakuti anjing laut dari salmon

[Related: How the most distant object ever made by humans is spending its dying days.]

Sama seperti elektron dan foton, atom tunduk pada hukum dinamika kuantum, tetapi perilaku kuantum mereka hanya menjadi terlihat ketika mereka didinginkan dalam sepersekian derajat nol mutlak. Laser telah digunakan selama lebih dari 25 tahun untuk mendinginkan atom guna mempelajari sifat kuantum atom ultradingin.

“Hasil dari kedinginan ini adalah fisika benar-benar berubah,” kata Hazzard. “Fisika mulai menjadi lebih mekanika kuantum, dan ini memungkinkan Anda melihat fenomena baru.”

Dalam percobaan ini, laser digunakan untuk mendinginkan materi dengan menghentikan pergerakan 300.000 atom iterbium dalam kisi optik. Ini mensimulasikan model Hubbard, fisika kuantum yang pertama kali diusulkan oleh fisikawan teoretis John Hubbard pada tahun 1963. Fisikawan menggunakan model Hubbard untuk menyelidiki perilaku magnetik dan superkonduktor bahan, terutama yang interaksi antara elektron menghasilkan perilaku kolektif,

Model ini memungkinkan atom untuk memamerkan sifat kuantumnya yang tidak biasa, yang mencakup perilaku kolektif antara elektron (sedikit seperti sekelompok penggemar yang melakukan “gelombang” di pertandingan sepak bola atau sepak bola) dan superkonduksi, atau kemampuan objek untuk menghantarkan listrik. tanpa kehilangan energi.

“Termometer yang mereka gunakan di Kyoto adalah salah satu hal penting yang disediakan oleh teori kami,” kata Hazzard. “Membandingkan pengukuran mereka dengan perhitungan kami, kami dapat menentukan suhu. Temperatur yang memecahkan rekor dicapai berkat fisika baru yang menyenangkan yang berkaitan dengan simetri sistem yang sangat tinggi.”

[Related: Chicago now has a 124-mile quantum network. This is what it’s for.]

Model Hubbard yang disimulasikan di Kyoto memiliki simetri khusus yang dikenal sebagai SU(N). SU adalah singkatan dari kelompok kesatuan khusus, yang merupakan cara matematis untuk menggambarkan simetri. N menunjukkan kemungkinan keadaan spin partikel dalam model.

See also  Kekuatan (dan evolusi) di balik 'mata anak anjing' anjing Anda

Semakin besar nilai N, semakin besar simetri model dan kompleksitas perilaku magnetik yang digambarkannya. Atom iterbium memiliki enam kemungkinan keadaan spin, dan simulator di Kyoto adalah yang pertama mengungkapkan korelasi magnetik dalam model SU(6) Hubbard. Jenis perhitungan ini tidak mungkin dihitung di komputer, menurut penelitian.

“Itulah alasan sebenarnya untuk melakukan eksperimen ini,” kata Hazzard. “Karena kami sangat ingin mengetahui fisika model SU(N) Hubbard ini.”

Mahasiswa pascasarjana dalam kelompok riset Hazzard dan rekan penulis studi Eduardo Ibarra-García-Padilla menambahkan bahwa model Hubbard bertujuan untuk menangkap bahan-bahan dasar yang diperlukan untuk membuat bahan padat menjadi logam, isolator, magnet, atau superkonduktor. “Salah satu pertanyaan menarik yang dapat dieksplorasi oleh eksperimen adalah peran simetri,” kata Ibarra-García-Padilla. “Memiliki kemampuan merekayasa di laboratorium itu luar biasa. Jika kita dapat memahami hal ini, ini dapat memandu kita untuk membuat bahan nyata dengan sifat baru yang diinginkan.”

Tim saat ini sedang mengembangkan alat pertama yang mampu mengukur perilaku yang muncul sepersejuta derajat di atas nol mutlak.

“Sistem ini cukup eksotis dan istimewa, tetapi harapannya adalah dengan mempelajari dan memahaminya, kami dapat mengidentifikasi bahan utama yang perlu ada dalam bahan nyata,” simpul Hazzard.