Fisikawan menemukan bahwa awan atom ultradingin dapat membentuk “tornado kuantum”

Fisikawan di MIT telah berhasil membuat “tornado kuantum” terbentuk di awan atom yang sangat dingin, menurut sebuah makalah terbaru dipublikasikan di jurnal Nature. Ini langsung pertama, di tempat Dokumentasi tentang bagaimana gas kuantum yang berotasi cepat berevolusi, dan menurut penulis, prosesnya menyerupai bagaimana efek rotasi Bumi dapat menimbulkan pola cuaca skala besar.

Para ilmuwan MIT tertarik untuk mempelajari apa yang disebut cairan ruang kuantum. Pertama kali ditemukan pada 1980-an, cairan Hall kuantum terdiri dari awan elektron yang mengambang di medan magnet. Dalam sistem klasik, elektron akan saling tolak-menolak dan membentuk kristal. Tetapi dalam cairan Hall kuantum, elektron meniru perilaku tetangganya—bukti korelasi kuantum.

“Orang-orang menemukan semua jenis sifat luar biasa, dan alasannya adalah, dalam medan magnet, elektron (secara klasik) membeku di tempatnya—semua energi kinetiknya dimatikan, dan yang tersisa hanyalah interaksi murni,” kata rekan penulis Richard Fletcher, seorang fisikawan di MIT. “Jadi, seluruh dunia ini muncul. Tapi sangat sulit untuk diamati dan dipahami.”

Jadi Fletcher dan rekan penulisnya berpikir bahwa mereka mungkin dapat mensimulasikan perilaku elektron yang tidak biasa ini menggunakan awan gas kuantum yang sangat dingin. Dikenal sebagai Kondensat Bose-Einstein (BEC), gas-gas ini dinamai untuk menghormati Albert Einstein dan fisikawan India Satyendra Bose. Pada 1920-an, Bose dan Einstein meramalkan kemungkinan bahwa sifat gelombang atom memungkinkan atom menyebar dan tumpang tindih jika mereka dikemas cukup dekat bersama-sama.

Pada suhu normal, atom bertindak seperti bola bilyar dan memantul satu sama lain. Menurunkan suhu mengurangi kecepatan mereka. Jika suhu menjadi cukup rendah (sepersejuta derajat di atas nol mutlak) dan atom cukup padat, gelombang materi yang berbeda akan dapat “merasakan” satu sama lain dan mengoordinasikan diri mereka sendiri seolah-olah mereka adalah satu “superatom” besar.

BEC pertama adalah dibuat pada tahun 1995, dan dalam beberapa tahun, lebih dari tiga lusin tim telah mereplikasi eksperimen tersebut. Itu Penemuan pemenang Hadiah Nobel meluncurkan cabang fisika yang sama sekali baru. BEC memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari dunia kecil fisika kuantum yang aneh seolah-olah mereka melihatnya melalui kaca pembesar, karena BEC “menguatkan” atom dengan cara yang sama seperti laser memperkuat foton.

Gas atom ultradingin bagus dalam mensimulasikan elektron dalam padatan, tetapi mereka kekurangan muatan. Netralitas itu dapat membuat fenomena simulasi seperti efek Hall kuantum menjadi tantangan. Menempatkan putaran pada sistem netral seperti itu adalah salah satu cara untuk mengatasi hambatan ini.

“Kami pikir, mari kita buat atom dingin ini berperilaku seolah-olah mereka adalah elektron dalam medan magnet, tapi itu bisa kita kendalikan dengan tepat,” kata rekan penulis Martin Zwierlein, juga seorang fisikawan di MIT. “Kemudian kita dapat memvisualisasikan apa yang dilakukan atom individu dan melihat apakah mereka mematuhi fisika mekanika kuantum yang sama.”

Menggunakan perangkap laser, para ilmuwan MIT mendinginkan sekitar 1 juta atom gas natrium; atom didinginkan diadakan di tempat oleh medan magnet. Langkah kedua adalah pendinginan evaporatif, di mana jaringan medan magnet bersekongkol untuk menendang atom terpanas sehingga atom yang lebih dingin dapat bergerak lebih dekat satu sama lain. Prosesnya bekerja dengan cara yang hampir sama seperti pendinginan evaporatif yang terjadi dengan secangkir kopi panas: atom yang lebih panas naik ke puncak perangkap magnet dan “melompat keluar” sebagai uap.

Medan magnet yang sama juga dapat membuat atom di dalam perangkap berputar sekitar 100 putaran per detik. Gerakan itu ditangkap di kamera CCD, berkat cara atom natrium berpendar sebagai respons terhadap sinar laser. Atom membentuk bayangan yang kemudian dapat diamati menggunakan teknik yang disebut pencitraan penyerapan.

Dalam 100 milidetik, atom-atom berputar menjadi struktur tipis yang panjang menyerupai jarum. Tidak seperti cairan klasik (seperti asap rokok), yang terus menipis, cairan kuantum memiliki batas ketipisannya. Para peneliti MIT menemukan bahwa struktur seperti jarum yang terbentuk dalam gas ultradingin mereka mencapai batas ketipisan itu. Para peneliti menggambarkan gas kuantum yang berputar dan temuan terkait tahun lalu dalam sains.

Makalah terbaru ini membawa eksperimen MIT satu langkah lebih jauh dengan memeriksa bagaimana cairan seperti jarum dapat berkembang dalam kondisi rotasi murni dan interaksi atom. Hasilnya: ketidakpastian kuantum muncul, menyebabkan jarum cairan goyah, lalu pembuka botol. Akhirnya, cairan mengkristal menjadi serangkaian gumpalan berputar yang menyerupai tornado—kristal kuantum yang seluruhnya terbentuk dari interaksi atom di dalam gas yang berputar. Evolusinya sangat mirip dengan formasi yang disebut Awan Kelvin-Helmholtz, di mana awan homogen mulai membentuk jari-jari berturut-turut sebagai akibat dari perbedaan kecepatan (kecepatan dan arah) antara dua arus angin di atmosfer.

“Evolusi ini terkait dengan gagasan tentang bagaimana kupu-kupu di China dapat membuat badai di sini, karena ketidakstabilan yang memicu turbulensi,” kata Zwierlein. “Di sini, kita memiliki cuaca kuantum: Fluida, hanya dari ketidakstabilan kuantumnya, terfragmentasi ke dalam struktur kristal awan dan vortisitas yang lebih kecil ini. Dan merupakan terobosan untuk dapat melihat efek kuantum ini secara langsung.”

Rupanya, perilaku ini telah diprediksi dalam makalah sebelumnya oleh fisikawan lain, yang baru saja ditemukan oleh tim MIT. Dan ada beberapa aplikasi praktis yang potensial untuk penelitian ini, terutama sebagai sensor rotasi yang sangat sensitif untuk navigasi kapal selam. kapal selam mengandalkan pada giroskop serat optik untuk mendeteksi gerakan rotasi ketika mereka terendam, yang menghasilkan pola interferensi tanda. Atom bergerak lebih lambat daripada cahaya, sehingga sensor tornado kuantum akan jauh lebih sensitif—bahkan mungkin cukup sensitif untuk mengukur sedikit perubahan dalam rotasi Bumi.

DOI: Alam, 2022. 10.1038/s41586-021-04170-2 (Tentang DOI).