Selama beberapa tahun terakhir, beberapa bahan telah menjadi dasar pembuktian bagi fisikawan. Bahan-bahan ini sebenarnya tidak terbuat dari sesuatu yang istimewa - partikel biasa, proton, neutron, dan elektron. Tapi mereka lebih dari sekedar jumlah dari bagian mereka. Bahan-bahan ini memiliki berbagai macam sifat dan fenomena yang menarik, dan terkadang bahkan membawa fisikawan ke keadaan materi baru - selain padat, gas, dan cair, yang telah kita ketahui sejak masa kanak-kanak.
Salah satu jenis bahan yang secara khusus dikhawatirkan oleh fisikawan adalah isolator topologi - dan, lebih luas lagi, fase topologi, landasan teoretis yang membawa penemunya meraih Hadiah Nobel pada tahun 2016. Pada permukaan isolator topologi, elektron mengalir dengan lancar, tetapi di dalamnya elektron tidak bergerak. Permukaannya seperti konduktor logam dan bagian dalamnya seperti isolator keramik. Insulator topologi telah menarik perhatian karena sifat fisika mereka yang tidak biasa, serta aplikasi potensial mereka dalam komputer kuantum dan apa yang disebut perangkat spintronik yang menggunakan perputaran elektron dan muatannya.
Perilaku eksotis ini tidak selalu terlihat jelas. "Anda tidak bisa begitu saja mengatakannya, melihat material dalam pengertian tradisional, apakah itu memiliki sifat semacam ini atau tidak," kata Frank Wilczek, fisikawan di Massachusetts Institute of Technology dan pemenang Nobel tahun 2004 di bidang fisika.
Apa lagi atmosfer kuantum?
Ternyata banyak bahan yang tampaknya biasa dapat mengandung sifat tersembunyi, tetapi tidak biasa dan, mungkin, berguna. Dalam makalah yang baru-baru ini diterbitkan, Wilchek dan Kin-Dong Zhang, fisikawan di Universitas Stockholm, mengusulkan cara baru untuk mengeksplorasi sifat-sifat tersebut: dengan mempelajari aura halus yang mengelilingi materi. Mereka menyebutnya atmosfer kuantum.
Atmosfer ini dapat mengungkapkan beberapa sifat kuantum fundamental dari material yang kemudian dapat diukur oleh fisikawan. Jika dikonfirmasi oleh eksperimen, fenomena ini tidak hanya akan menjadi salah satu dari sedikit manifestasi makroskopis mekanika kuantum, kata Wilczek, tetapi juga akan menjadi alat yang ampuh untuk meneliti material baru.
“Jika Anda bertanya kepada saya apakah hal seperti ini bisa terjadi, saya akan mengatakan bahwa idenya masuk akal,” kata Taylor Hughes, ahli teori materi padat di University of Illinois di Urbana-Champaign. Dan dia menambahkan: "Saya kira efeknya akan sangat lemah." Namun, dalam analisis baru mereka, Zhang dan Vilchek menghitung bahwa, pada prinsipnya, efek atmosfer kuantum akan berada dalam kisaran yang dapat dideteksi.
Video promosi:
Lebih lanjut, Wilchek mencatat, efek seperti itu dapat segera dideteksi.
Area dampak
Atmosfer kuantum, jelas Wilczek, adalah zona pengaruh tipis di sekitar material. Ini mengikuti dari mekanika kuantum bahwa vakum tidak sepenuhnya kosong; itu diisi dengan fluktuasi kuantum. Misalnya, jika Anda mengambil dua pelat yang tidak bermuatan dan menempatkannya berdampingan dalam ruang hampa, hanya fluktuasi kuantum dengan panjang gelombang yang lebih pendek daripada jarak antar pelat yang dapat terjepit di antara keduanya. Tetapi dari luar, fluktuasi semua panjang gelombang akan jatuh di lempengan. Akan ada lebih banyak energi di luar daripada di dalam, yang akan menyebabkan gaya gabungan meremas pelat bersama-sama. Ini adalah efek Casimir dan mirip dengan efek atmosfer kuantum, kata Wilczek.
Sama seperti pelat merasakan gaya yang lebih kuat saat mendekati yang lain, probe jarum akan merasakan efek atmosfer kuantum saat mendekati material. “Ini seperti suasana biasa,” kata Wilchek. "Semakin dekat Anda dengannya, semakin besar dampaknya." Dan sifat dari dampak ini bergantung pada sifat kuantum material itu sendiri.
Antimony dapat bertindak sebagai isolator topologi - material yang berfungsi sebagai isolator dimana-mana kecuali permukaan.
Properti ini bisa sangat berbeda. Beberapa materi bertindak sebagai alam semesta terpisah dengan hukum fisiknya sendiri, seolah-olah berada di multiverse materi. "Ide yang sangat penting dalam fisika materi terkondensasi modern adalah bahwa kita memiliki bahan yang dapat kita gunakan - katakanlah, isolator topologi - di mana serangkaian aturan yang berbeda beroperasi," kata Peter Armitage, fisikawan benda terkondensasi di Universitas Johns Hopkins.
Beberapa bahan bertindak sebagai magnet monopoles - titik magnet dengan kutub utara tetapi tidak ada kutub selatan. Fisikawan juga telah menemukan apa yang disebut kuasipartikel muatan listrik pecahan dan partikel kuasi, yang bertindak sebagai antimateri mereka sendiri dan dapat memusnahkan.
Jika sifat eksotis yang serupa ada di material lain, mereka bisa menampakkan diri di atmosfer kuantum. Sejumlah besar properti baru dapat ditemukan hanya dengan menyelidiki atmosfer material, kata Wilchek.
Untuk mendemonstrasikan ide mereka, Zhang dan Wilchek berfokus pada seperangkat aturan yang tidak biasa - elektrodinamika sumbu - yang dapat menghasilkan sifat unik. Wilchek mengemukakan teori ini pada tahun 1987 untuk mendemonstrasikan bagaimana partikel hipotetis yang disebut axion dapat berinteraksi dengan listrik dan magnet. (Sebelumnya, fisikawan mengajukan sumbu untuk memecahkan salah satu misteri fisika terbesar: mengapa interaksi yang melibatkan gaya kuat tetap sama jika partikel diganti dengan antipartikel dan dipantulkan dalam cermin, menjaga simetri muatan dan paritas (simetri CP). Hingga hari itu, tidak ada yang menemukan konfirmasi keberadaan sumbu, meskipun belum lama ini telah terjadi peningkatan minat pada mereka sebagai kandidat materi gelap.
Meskipun aturan ini tidak akan berfungsi di sebagian besar tempat di alam semesta, aturan ini memanifestasikan dirinya di dalam materi - seperti penyekat topologis. "Cara medan elektromagnetik berinteraksi dalam zat baru ini, isolator topologi, pada dasarnya sama seperti jika mereka berinteraksi dengan sekumpulan sumbu," kata Wilczek.
Cacat pada berlian
Jika material seperti isolator topologi mematuhi hukum elektrodinamika sumbu, atmosfer kuantumnya dapat bereaksi terhadap apapun yang melintasinya. Zhang dan Vilchek menghitung bahwa efek seperti itu akan mirip dengan manifestasi medan magnet. Secara khusus, mereka menemukan bahwa jika Anda menempatkan sistem atom atau molekul tertentu di atmosfer, tingkat energi kuantumnya berubah. Ilmuwan dapat mengukur perubahan pada level ini dengan menggunakan metode laboratorium standar. “Itu ide yang tidak biasa tapi menarik,” kata Armitage.
Salah satu sistem potensial ini adalah probe berlian dengan apa yang disebut lowongan pengganti nitrogen (pusat NV). Pusat NV adalah sejenis cacat pada struktur kristal berlian, ketika atom karbon berlian diganti dengan atom nitrogen, dan tempat yang dekat dengan nitrogen tetap kosong. Keadaan kuantum dari sistem semacam itu sangat sensitif, yang memungkinkan pusat NV merasakan medan magnet terlemah sekalipun. Properti ini menjadikannya sensor yang kuat yang dapat digunakan untuk berbagai tujuan dalam geologi dan biologi.
Makalah oleh Zhang dan Vilchek, yang mereka kirimkan ke Physical Review Letters, hanya menjelaskan pengaruh atmosfer kuantum yang berasal dari elektrodinamika aksiionik. Untuk menentukan sifat lain apa yang mempengaruhi atmosfer, kata Wilchek, perhitungan lain perlu dilakukan.
Mematahkan simetri
Intinya, sifat-sifat yang diungkapkan atmosfer kuantum diwakili oleh kesimetrian. Berbagai fase suatu zat, dan properti yang sesuai dengannya, dapat direpresentasikan dalam bentuk kesimetrian. Dalam kristal padat, misalnya, atom tersusun dalam kisi simetris yang bergeser atau berputar membentuk pola kristal yang identik. Saat Anda memanaskannya, ikatannya putus, struktur kisi runtuh, material kehilangan kesimetrisannya dan dalam arti tertentu menjadi cair.
Material dapat mematahkan kesimetrian fundamental lainnya, seperti kesimetrian waktu timbal balik, yang dipatuhi oleh sebagian besar hukum fisika. Fenomena bisa berbeda jika Anda memantulkannya di cermin dan merusak simetri paritas.
Jika kesimetrian ini dapat dipatahkan pada material, maka kita dapat mengamati transisi fase yang sebelumnya tidak diketahui dan sifat yang berpotensi eksotis. Materi dengan kerusakan simetri tertentu akan menyebabkan kerusakan yang sama pada probe yang melewati atmosfer kuantum, kata Wilczek. Misalnya, dalam suatu zat yang mengikuti termodinamika aksionik, kesimetrian waktu dan paritas rusak, tetapi dalam kombinasi keduanya tidak. Dengan menyentuh atmosfer materi, Anda dapat mengetahui apakah dan sejauh mana ia merusak simetri.
Wilchek mengatakan dia telah mendiskusikan ide tersebut dengan para peneliti. Selain itu, eksperimen ini cukup layak, bahkan tidak dalam beberapa tahun, tetapi dalam beberapa minggu dan bulan.
Jika semuanya berhasil, istilah "atmosfer kuantum" akan mendapat tempat permanen dalam leksikon fisikawan. Wilczek sebelumnya telah menciptakan istilah-istilah seperti axion, anion (kuasipartikel yang dapat berguna untuk komputasi kuantum), dan kristal waktu. Atmosfer kuantum juga bisa bertahan.
Ilya Khel
