Sebuah tim peneliti internasional- termasuk Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- telah menemukan keadaan kuantum yang dapat dijelaskan dengan cara ini. Para ilmuwan berhasil mendinginkan bahan khusus hingga mendekati suhu nol mutlak. Mereka menemukan bahwa sifat inti atom – kesejajarannya – tidak “membeku”, seperti biasanya, namun tetap dalam keadaan “cair”.
Dalam bahan kuantum, elektron berinteraksi dengan intensitas yang tidak biasa, baik satu sama lain maupun dengan atom kisi kristal. Hubungan erat ini menghasilkan efek kuantum kuat yang berdampak pada tingkat mikroskopis dan makroskopis. Fenomena ini memberikan material kuantum kualitas yang luar biasa. Misalnya, pada suhu rendah, mereka dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi. Seringkali, variasi suhu, tekanan, atau tegangan listrik yang kecil sekalipun sudah cukup untuk mengubah perilaku material secara signifikan.
Prof Jochen Wosnitza dari High Field Magnetic Laboratory (HLD) Dresden di HZDR mengatakan, “Pada prinsipnya, magnet juga dapat dianggap sebagai material kuantum; lagi pula, magnetisme didasarkan pada putaran intrinsik elektron dalam material. Dalam beberapa hal, putaran ini dapat berperilaku seperti cairan.”
“Saat suhu turun, putaran yang tidak teratur ini dapat membeku, seperti air yang membeku menjadi es.”
“Misalnya jenis-jenis tertentu magnet, yang disebut feromagnet, bersifat non-magnetik di atas “titik bekunya”, atau lebih tepatnya, titik pemesanannya. Hanya ketika mereka turun ke bawah, mereka dapat menjadi magnet permanen.”
Dalam studi ini, para ilmuwan berusaha menemukan keadaan kuantum di mana kesejajaran atom yang terkait dengan putaran tidak teratur, bahkan pada suhu yang sangat dingin – mirip dengan cairan yang tidak akan membeku, bahkan dalam suhu yang sangat dingin.
Untuk mencapai keadaan ini, tim peneliti menggunakan zat unik, campuran praseodymium, zirkonium, dan oksigen. Mereka percaya bahwa karakteristik kisi kristal pada bahan ini akan memungkinkan spin elektron berinteraksi secara unik dengan orbitalnya di sekitar atom.
Prof Satoru Nakatsuji dari Universitas Tokyo mengatakan, “Namun, prasyaratnya adalah memiliki kristal dengan kemurnian dan kualitas ekstrem. Butuh beberapa kali percobaan, namun akhirnya, tim mampu menghasilkan kristal yang cukup murni untuk percobaan mereka: Dalam cryostat, sejenis labu termos super, para ahli secara bertahap mendinginkan sampel mereka hingga 20 miliklvin – hanya seperlima puluh derajat. di atas nol mutlak. Untuk melihat bagaimana sampel merespons proses pendinginan ini dan di dalam medan gaya, mereka mengukur seberapa besar perubahan panjangnya. Dalam percobaan lain, kelompok tersebut mencatat bagaimana kristal bereaksi terhadap gelombang ultrasonik yang dikirim langsung melaluinya.”
Sergei Zherlitsyn, pakar HLD dalam investigasi USG, menjelaskan, “Seandainya putarannya dilakukan secara teratur, hal ini akan menyebabkan perubahan mendadak pada perilaku kristal, seperti perubahan panjang secara tiba-tiba. Namun, seperti yang kami amati, tidak terjadi apa-apa! Tidak ada perubahan mendadak baik dalam durasi maupun responsnya gelombang ultrasonik. "
“Interaksi yang jelas antara spin dan orbital telah mencegah keteraturan, itulah sebabnya atom tetap berada dalam keadaan kuantum cair – pertama kalinya keadaan kuantum seperti itu diamati. Investigasi lebih lanjut di bidang magnet mengkonfirmasi asumsi ini.”
Jochen Wosnitza berspekulasi, “Hasil penelitian dasar ini juga dapat memiliki implikasi praktis suatu hari nanti: Pada titik tertentu, kita mungkin dapat menggunakan keadaan kuantum baru untuk mengembangkan sensor kuantum yang rentan. Namun, untuk melakukan ini, kita masih harus memikirkan cara membangkitkan eksitasi dalam keadaan ini secara sistematis. Penginderaan kuantum dianggap sebagai teknologi masa depan yang menjanjikan. Karena sifat kuantumnya yang membuatnya sangat sensitif terhadap rangsangan eksternal, sensor kuantum dapat mendeteksi medan magnet atau suhu dengan presisi yang jauh lebih tinggi dibandingkan sensor konvensional.”
Referensi Jurnal:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. dkk. Keadaan cair spin-orbital dan transisi metamagnetik cair-gas pada kisi piroklor. Nat. FiS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
