Terdingin: bagaimana surat kepada Einstein dan kemajuan teknologi pendingin laser membawa fisikawan ke keadaan materi kuantum baru – Physics World

Selama dua dekade terakhir abad ke-20, fisikawan atom berulang kali memecahkan rekor suhu terdingin di alam semesta. Pencapaian ini bertumpu pada beberapa kemajuan, termasuk pendinginan laser (seperti yang dijelaskan dalam bagian 1 sejarah ini), perangkap magneto-optik dan teknik seperti pendinginan Sisyphus yang bekerja lebih baik dari yang diharapkan (seperti yang dijelaskan dalam bagian 2). Pada tahun 1990, fisikawan secara rutin mendinginkan puluhan juta atom hingga suhu beberapa puluh mikrokelvin di atas nol mutlak – seribu kali lebih dingin daripada kriogenik konvensional dan sebagian kecil dari “batas pendinginan Doppler” yang diprediksi untuk pendinginan atom sederhana dengan laser.

Meskipun penurunan ini sangat dramatis, penurunan suhu yang lebih parah lagi terjadi: faktor 1000, dari mikrokelvin ke nanokelvin. Penurunan tambahan ini akan memperkenalkan bidang fisika baru yang dikenal sebagai degenerasi kuantum. Di sini, suhu rendah dan kepadatan tinggi memaksa atom memasuki salah satu dari dua wujud materi eksotik: a Kondensat Bose–Einstein (BEC), yang mana semua atom dalam suatu gas bergabung menjadi keadaan kuantum yang sama, atau gas Fermi yang mengalami degenerasi (DFG), yang mana energi total gas berhenti berkurang karena semua keadaan energi yang tersedia sudah penuh (gambar 1).

BEC dan DFG murni merupakan fenomena kuantum, dan putaran total atom menentukan fenomena mana yang akan terbentuk. Jika atom mempunyai jumlah elektron, proton, dan neutron genap, maka atom tersebut termasuk boson dan dapat mengalami BEC. Jika jumlahnya ganjil maka itu adalah fermion dan dapat membentuk DFG. Isotop yang berbeda dari unsur yang sama terkadang berperilaku berlawanan – fisikawan telah membuat BEC dari litium-7 dan DFG dengan litium-6 – dan perbedaan perilaku pada suhu rendah ini adalah salah satu demonstrasi paling dramatis dari pembagian mendasar antar partikel kuantum.

Seperti terobosan sebelumnya yang dijelaskan dalam seri ini, penyelaman menuju degenerasi kuantum terjadi berkat teknologi baru yang diperkenalkan di laboratorium penelitian yang tersebar di seluruh dunia. Dan – sama seperti kemajuan sebelumnya – salah satu teknologi ini muncul secara kebetulan.

Pendinginan laser dengan harga murah

Di pertengahan 1980, Carl Wieman sedang mempelajari pelanggaran paritas pada atom cesium di Universitas Colorado, Boulder, di AS. Studi-studi ini memerlukan pengukuran spektroskopi yang memakan waktu dan teliti, dan mahasiswa PhD Wieman Watt Kaya mengembangkan cara untuk melakukannya menggunakan laser dioda seperti yang diproduksi jutaan orang untuk pemutar CD.

Setelah menghabiskan waktu bertahun-tahun mencari cara untuk menstabilkan dan mengendalikan perangkat solid-state yang murah ini, Watts (cukup beralasan) ingin menyelesaikan PhD-nya, jadi dia dan Wieman mencari eksperimen jangka pendek untuk mengujinya. Jawaban yang mereka temukan adalah pendinginan laser. “Menyelesaikan tesis mahasiswa ini adalah hal kecil yang menyenangkan,” kenang Wieman, “dan itulah cara saya mempelajari [pendinginan laser].”

Pada tahun 1986 Watts dan Wieman menjadi pertama yang mendinginkan seberkas atom cesium dengan laser. Watts juga merupakan orang pertama yang menggunakan laser untuk mendinginkan rubidium, sebagai postdoc Hal Metcalf di Universitas Stony Brook di New York, dan dia berpartisipasi dalam eksperimen penting yang mengungkap pendinginan sub-Doppler Bill Phillips' laboratorium di Institut Standar dan Teknologi Nasional AS (NIST) di Gaithersburg, Maryland. Namun, seperti pemain kunci lain yang akan kita temui dalam sejarah ini, Watts meninggalkan panggung terlalu cepat, meninggal pada usia 39 tahun pada tahun 1996.

Wieman, sementara itu, memerlukan target ilmiah baru, sesuatu yang hanya bisa dilakukan dengan atom dingin. Dia, bersama rekan-rekan dan pesaing baru, menemukannya dalam gagasan yang sangat lama dengan silsilah ilmiah yang sempurna: kondensasi Bose–Einstein.

Perlombaan ke bawah

Dalam 1924 Satyendra Nath Bose adalah seorang fisikawan di Universitas Dhaka di tempat yang sekarang disebut Bangladesh. Saat mengajar bidang fisika kuantum yang baru dan berkembang pesat, ia menyadari bahwa rumus Max Planck untuk spektrum cahaya dari benda panas dapat diturunkan dari aturan statistik yang mengatur perilaku foton, yang jauh lebih mungkin terjadi dibandingkan partikel klasik. ditemukan di negara bagian yang sama.

Bose kesulitan menerbitkan karyanya, jadi dia mengirimkan salinannya ke Albert Einstein, yang sangat menyukainya sehingga dia mengaturnya agar diterbitkan. diterbitkan dalam Zeitschrift untuk Fisik di samping kertas miliknya sendiri. Kontribusi Einstein termasuk memperluas statistik foton ke jenis partikel lain (termasuk atom) dan menunjukkan konsekuensi menarik: pada suhu yang sangat rendah, keadaan sistem yang paling mungkin adalah semua partikel menempati keadaan energi yang sama.

Keadaan kolektif ini sekarang disebut BEC dan berkaitan erat dengan superfluiditas dan superkonduktivitas, yang diamati dalam cairan dan padatan (masing-masing) pada suhu mendekati nol mutlak. Transisi BEC sendiri, pada prinsipnya, dapat terjadi dalam gas atom yang encer – seperti yang diciptakan oleh fisikawan atom pada tahun 1970an.

Namun ada beberapa hambatan. Salah satunya adalah suhu kritis di mana BEC terbentuk ditentukan oleh kepadatan: semakin rendah kepadatan, semakin rendah suhu kritisnya. Meskipun pendinginan Sisyphus memungkinkan terjadinya suhu mikrokelvin, uap atom yang didinginkan dengan laser sangat menyebar sehingga suhu transisinya bahkan lebih rendah lagi, dalam kisaran nanokelvin. Suhu ini juga lebih rendah dari “suhu mundur” yang diasosiasikan dengan atom yang menyerap atau memancarkan satu foton. Oleh karena itu, pendinginan di bawah batas ini harus dilakukan tanpa laser.

Satu penguapan pada satu waktu

Solusi umum untuk masalah ini berasal dari Daniel Kleppner dan rekan-rekannya di Massachusetts Institute of Technology (MIT). Mirip dengan mekanisme mendinginkan secangkir teh. Molekul air dalam teh bergerak dengan kecepatan yang berbeda-beda, dan yang tercepat memiliki energi yang cukup untuk melepaskan diri dan melayang sebagai uap air. Karena “yang melarikan diri” ini membawa jumlah energi yang lebih besar dari rata-rata, molekul-molekul yang tersisa menjadi lebih dingin. Setelah energi dalam geraknya didistribusikan kembali melalui tumbukan antar molekul, sistem mencapai kesetimbangan baru pada suhu yang lebih rendah (gambar 2).

Metode Kleppner dikenal sebagai pendinginan evaporatif, dan memerlukan dua elemen: cara selektif menghilangkan atom terpanas dari perangkap, dan laju tumbukan antar atom yang cukup tinggi agar sampel dapat kembali seimbang setelahnya. Elemen pertama datang bersamaan dengan solusi terhadap masalah kemunduran foton: atom dapat disimpan “dalam kegelapan” dengan memindahkannya dari perangkap magneto-optik (MOT) ke perangkap magnet murni seperti yang pertama kali dibuat oleh Phillips. pada tahun 1983. Energi yang lebih tinggi dari atom “panas” memerlukan medan magnet yang lebih besar untuk membatasinya, dan medan magnet yang besar ini menghasilkan pergeseran Zeeman pada tingkat energi atom. Sinyal frekuensi radio yang disetel dengan benar dapat mengubah atom “panas” di medan tinggi ini menjadi keadaan tidak terperangkap tanpa mengganggu atom yang lebih dingin. Atom-atom yang lebih dingin yang tertinggal juga dibatasi pada volume yang lebih kecil, sehingga seiring dengan penurunan suhu, kepadatannya meningkat, sehingga membawa sistem lebih dekat ke BEC melalui dua cara.

Namun masalah tabrakan ini berada di luar kendali para eksperimentalis. Laju relevansi dijelaskan oleh satu parameter: panjang hamburan untuk sepasang atom yang bertabrakan dalam keadaan tertentu. Jika panjang hamburan ini cukup besar dan positif, maka penguapan akan berlangsung cepat dan kondensat yang dihasilkan akan stabil. Jika panjang hamburan terlalu kecil maka penguapan akan sangat lambat. Jika negatif maka kondensat akan menjadi tidak stabil.

Solusi yang jelas adalah memilih atom dengan panjang hamburan yang tepat, namun parameter ini ternyata sangat sulit dihitung berdasarkan prinsip pertama. Hal ini perlu ditentukan secara empiris, dan pada awal tahun 1990-an belum ada yang melakukan eksperimen yang diperlukan. Akibatnya, kelompok-kelompok yang mulai mengikuti BEC memilih unsur-unsur berbeda dari tabel periodik, masing-masing berharap bahwa “milik mereka” mungkin akan menjadi “benar”. Wieman dan rekan barunya Eric Cornell bahkan beralih dari cesium ke rubidium karena dua isotop stabil rubidium menggandakan peluangnya.

“Itu tidak akan berhasil”

Karena MOT dapat diubah menjadi perangkap magnet murni hanya dengan mematikan laser dan mengalirkan lebih banyak arus melalui kumparan magnet, langkah pertama menuju BEC adalah perluasan langsung dari eksperimen pendinginan laser. Konfigurasi “perangkap empat kutub” yang dihasilkan hanya mempunyai satu masalah besar: medan di tengah perangkap adalah nol, dan pada medan nol, atom dapat mengubah keadaan internalnya menjadi keadaan yang tidak lagi terperangkap. Untuk menutup “kebocoran” atom dari pusat perangkap, diperlukan cara untuk menjaga agar atom yang terperangkap tidak berubah keadaan.

Selama beberapa tahun, ini adalah bidang utama penelitian pendinginan laser. Selain Cornell dan Wieman, salah satu pesaing utama dalam perlombaan BEC yang semakin intensif adalah Wolfgang Ketterle dari MIT. Kelompoknya mengembangkan cara untuk mendorong atom menjauh dari wilayah medan nol dengan menggunakan laser detuned biru yang terfokus pada pusat perangkap sebagai “sumbat”. Cornell dan Wieman, pada bagiannya, menggunakan teknik serba magnet yang mereka sebut jebakan potensial orbit waktu (TOP).

Cornell mengembangkan TOP dalam penerbangan kembali dari konferensi pada awal tahun 1994, sebagian dimotivasi oleh kebutuhan untuk membatasi gangguan terhadap peralatan mereka. Meskipun dia dan Wieman tidak memiliki ruang untuk sinar laser lain, mereka dapat menambahkan kumparan kecil tambahan di sekitar sumbu yang tegak lurus terhadap kumparan quadrupole, dan itu akan menggeser posisi medan nol. Tentu saja, atom-atom yang berada dalam perangkap akan bergerak menuju titik nol yang baru, namun tidak dengan cepat. Jika mereka menggunakan dua kumparan kecil pada sumbu berbeda yang digerakkan oleh arus berosilasi untuk menggerakkan angka nol dalam lingkaran beberapa ratus kali per detik, itu mungkin cukup untuk mempertahankannya, dalam kata-kata Cornell, “di mana pun atom tidak berada”.

Mereka menguji ide tersebut pada musim panas itu, menggunakan kumparan kecil yang digerakkan oleh penguat audio murah. Pada awalnya, medan tambahan membuat kumparan yang melingkari sel uap kacanya bergetar secara mengkhawatirkan, dan kumparan yang digerakkan mengeluarkan suara melengking yang menusuk dan bernada tinggi, namun prinsipnya bagus, sehingga mereka membuat versi yang lebih kokoh. Beberapa bulan kemudian, pada awal tahun 1995, Cornell mendiskusikan skema jebakan dengan Ketterle, dan berpikir bahwa konektor optik tim MIT “tidak akan pernah berfungsi. Itu pada dasarnya adalah tongkat tua besar yang mengarah ke sana.” Namun, dia mengakui bahwa Ketterle mungkin merasakan hal yang sama tentang TOP: “Dia mungkin berpikir 'Itu ide paling bodoh yang pernah saya dengar sepanjang hidup saya.' Jadi kami berdua merasa sangat puas dengan percakapan itu.”

Ternyata, kedua teknik tersebut ternyata berhasil. Cornell dan Wieman adalah orang pertama yang mendemonstrasikan hal ini, melakukan serangkaian percobaan di mana mereka menyorotkan sinar laser melalui awan atom dingin mereka. Selama “snapshot” ini, atom-atom di awan akan menyerap foton dari laser, meninggalkan bayangan pada berkasnya. Kedalaman bayangan ini merupakan ukuran kepadatan awan, sedangkan ukuran awan menunjukkan suhu atom. Saat penguapan berlangsung, gambar menunjukkan awan atom simetris berbentuk bola yang perlahan menyusut dan mendingin seiring dengan semakin hilangnya atom panas.

Kemudian, pada bulan Juni 1995, pada suhu sekitar 170 nanokelvin, sesuatu yang dramatis terjadi: sebuah titik gelap kecil muncul di tengah gambar mereka, mewakili atom pada suhu yang jauh lebih rendah dan kepadatan yang lebih tinggi. Cornell mengatakan tidak butuh waktu lama untuk mengetahui apa yang terjadi: “Kepadatan pusat meningkat. Apa yang terjadi di sana jika bukan kondensasi Bose–Einstein?”

Untuk mengkonfirmasi kecurigaan mereka, dia dan Wieman mengubah beberapa gambar bayangan mereka menjadi plot tiga dimensi yang kini menjadi ikon (lihat gambar “Hasil paling keren”) yang menunjukkan atom termal sebagai alas lebar dan BEC sebagai “lonjakan” yang muncul di Pusat. Bentuk lonjakan – lebih lebar di satu arah dibandingkan yang lain – memberikan petunjuk. Karena perangkap TOP mereka lebih kuat pada arah vertikal daripada horizontal, kondensat terjepit lebih kuat ke arah tersebut, yang berarti kondensat mengembang lebih cepat ke arah tersebut setelah dilepaskan. Meskipun mereka tidak memperkirakan perubahan bentuk ini, mereka dengan cepat dapat menjelaskannya, menambah keyakinan mereka bahwa mereka telah mencapai “cawan suci” BEC.

Cornell dan Wieman mengumumkan hasil mereka (yang tidak biasa pada masa itu) dalam konferensi pers pada awal Juni 1995. Makalah mereka diterbitkan di Ilmu bulan berikutnya. Pada bulan September, Ketterle dan rekannya membuat plot 3D mereka sendiri yang menunjukkan “lonjakan” serupa yang muncul saat awan atom natrium mencapai suhu transisi. Cornell, Wieman dan Ketterle melanjutkan untuk berbagi Hadiah Nobel Fisika 2001 untuk pencapaian BEC dalam uap atom encer.

Fermion mendapatkan juaranya

Pada bulan-bulan awal tahun 1995, Cornell merekrut seorang postdoc baru, Deborah “Debbie” Jin. Suaminya John Bohn, fisikawan di NIST di Boulder, mengenang perkataan Cornell, “Banyak orang akan memberi tahu Anda bahwa BEC masih beberapa tahun lagi, tapi saya yakin kami akan melakukannya.” Dia benar: BEC pertama terjadi antara saat Jin setuju untuk menerima pekerjaan itu dan saat dia mulai bekerja.

Jin berasal dari komunitas penelitian yang berbeda – tesisnya tentang superkonduktor eksotik – tetapi dia dengan cepat belajar tentang laser dan optik, dan memainkan peran penting dalam eksperimen awal yang menyelidiki sifat-sifat BEC. Sebagai bintang yang sedang naik daun, dia mendapat banyak tawaran posisi permanen, namun dia memilih untuk tetap di JILA, sebuah institusi hybrid yang menggabungkan keahlian dari University of Colorado dan NIST. Di sana, untuk membedakan karyanya dari karya Cornell dan Wieman, dia memutuskan untuk melakukan kelas perilaku suhu ultra-rendah lainnya: gas Fermi yang merosot.

Jika boson diatur oleh aturan statistik yang membuat dua boson lebih mungkin ditemukan dalam keadaan energi yang sama, fermion dilarang keras berbagi keadaan. Diterapkan pada elektron, inilah prinsip pengecualian Pauli yang menjelaskan sebagian besar ilmu kimia: elektron dalam sebuah atom “mengisi” keadaan energi yang tersedia, dan keadaan pasti elektron terakhir menentukan sifat kimia suatu unsur. Atom fermionik dalam perangkap magnet mematuhi aturan serupa: saat gas didinginkan, keadaan terendah akan terisi. Namun, pada titik tertentu, semua negara berenergi rendah sudah penuh, dan awan tidak dapat menyusut lebih jauh lagi. Seperti halnya BEC, ini adalah fenomena kuantum murni, tidak ada hubungannya dengan interaksi antar partikel, sehingga harus dapat diamati dalam gas dengan atom yang sangat dingin.

Jin memulai di JILA pada tahun 1997 dengan seorang mahasiswa pascasarjana, Brian DeMarco, yang telah dipekerjakan oleh Cornell tetapi beralih bekerja dengan Jin atas rekomendasi Cornell. Seperti yang diingat DeMarco, Cornell mengatakan kepadanya, “Jika Anda dan Debbie bisa menjadi orang pertama yang membuat DFG, itu akan menjadi masalah besar, dan ada peluang bagus untuk melakukannya.”

Pasangan ini memulai dengan laboratorium yang kosong, bahkan tidak memiliki perabotan. Bohn ingat mereka duduk di lantai di kantor yang dia tinggali bersama Jin, merakit perangkat elektronik untuk laser masa depan mereka. Namun, dalam waktu satu tahun, mereka memiliki peralatan yang berfungsi untuk menjebak magnet dan mendinginkan atom kalium fermion secara evaporasi.

Pencarian DFG menimbulkan dua tantangan di luar tantangan yang dihadapi dalam perlombaan BEC. Yang pertama adalah bahwa pada suhu yang sangat rendah, tumbukan yang diperlukan untuk langkah penyeimbangan ulang pendinginan evaporatif berhenti terjadi karena larangan dua fermion berada dalam keadaan yang sama mencegah keduanya bertabrakan. Untuk mengatasi hal ini, Jin dan DeMarco menempatkan separuh atom mereka dalam keadaan internal yang berbeda, sehingga menghasilkan tumbukan lintas keadaan yang cukup untuk memungkinkan penguapan. Di akhir proses, mereka dapat menghapus salah satu dari dua negara bagian tersebut dan mengambil gambar sisanya.

Masalah kedua adalah meskipun tanda eksperimental BEC adalah lonjakan kepadatan raksasa di tengah awan atom, degenerasi Fermi lebih halus. Fenomena utama penolakan atom untuk menggumpal memanifestasikan dirinya secara tidak dramatis dalam bentuk awan yang berhenti menyusut setelah suhu transisi tercapai. Mencari cara untuk membedakan gas yang mengalami degenerasi dari awan termal memerlukan pemodelan yang cermat dan sistem pencitraan yang dapat mengukur perubahan kecil dalam bentuk distribusi dengan andal.

Gas atom Fermi

Terlepas dari tantangan ini, hanya 18 bulan setelah memulai dengan ruangan kosong, Jin dan DeMarco menerbitkan pengamatan pertama terhadap gas Fermi yang mengalami degenerasi. Beberapa tahun kemudian, tim yang dipimpin oleh Ketterle, Randy Hulet di Universitas Rice, Christophe Salomon di ENS di Paris, dan John Thomas di Universitas Duke, diikuti.

Jin, sementara itu, melanjutkan dengan menggunakan laser dan medan magnet untuk mengubah atom yang mengalami degenerasi menjadi molekul, membuka batas baru dalam kimia ultradingin. Karya ini menarik banyak penghargaan, termasuk a Yayasan MacArthur “hibah jenius”, yang Hadiah I I Rabi dari American Physical Society (APS) dan Medali Isaac Newton dari Institut Fisika. Jin juga akan menjadi pemenang hadiah Nobel dalam fisika atom ultradingin, tapi sayangnya, dia meninggal karena kanker pada tahun 2016, dan hadiahnya tidak diberikan secara anumerta.

Namun, selain hadiah, warisan Jin juga sangat besar. Sub-bidang yang dia mulai telah berkembang menjadi salah satu bidang fisika atom yang paling penting, dan mantan mahasiswa serta rekannya terus memimpin studi tentang fermion ultradingin. Sebagai pengakuan atas komitmennya terhadap pendampingan, APS mengadakan Penghargaan Deborah Jin tahunan untuk Penelitian Tesis Doktoral yang Luar Biasa dalam Fisika Atom, Molekuler, atau Optik.

Sejarah penemuan yang sedang berlangsung

Seri ini mencakup lebih dari setengah abad. Pada saat itu, ide penggunaan laser untuk memanipulasi atom berubah dari rasa ingin tahu yang kosong di benak seorang fisikawan Bell Labs menjadi teknik dasar untuk sejumlah besar ilmu fisika mutakhir. Ion yang didinginkan dengan laser kini menjadi salah satu platform terpenting untuk pengembangan ilmu informasi kuantum. Atom netral yang didinginkan dengan laser menjadi dasar bagi jam atom terbaik di dunia. Dan sistem degenerasi kuantum yang pertama kali diamati oleh Cornell, Wieman, Ketterle, dan Jin melahirkan sub-bidang besar yang menghubungkan fisika atom dengan fisika dan kimia benda terkondensasi. Atom yang didinginkan dengan laser tetap penting untuk penelitian fisika, dan sejarah baru ditulis setiap hari di laboratorium di seluruh dunia.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/