Efek fisik juga berlaku di dunia kuantum

20 Jan 2023 (Berita Nanowerk) Fisikawan di Universitas Bonn telah membuktikan secara eksperimental bahwa teorema penting fisika statistik berlaku untuk apa yang disebut "kondensat Bose-Einstein." Hasilnya sekarang memungkinkan untuk mengukur sifat-sifat tertentu dari "superpartikel" kuantum dan menyimpulkan karakteristik sistem yang sulit diamati. Studi ini sekarang telah dipublikasikan di Physical Review Letters (“Hubungan Fluktuasi-Pengurangan untuk Kondensat Foton Bose-Einstein”). Misalkan di depan Anda ada sebuah wadah berisi cairan yang tidak diketahui. Tujuan Anda adalah untuk mengetahui seberapa banyak partikel di dalamnya (atom atau molekul) bergerak bolak-balik secara acak karena energi panasnya. Namun, Anda tidak memiliki mikroskop yang dapat digunakan untuk memvisualisasikan fluktuasi posisi ini yang dikenal sebagai "gerakan Brown". Ternyata Anda tidak membutuhkannya sama sekali: Anda juga bisa mengikat sebuah benda ke tali dan menariknya melalui cairan. Semakin banyak kekuatan yang harus Anda terapkan, semakin kental cairan Anda. Dan semakin kental, semakin sedikit partikel dalam cairan mengubah posisinya secara rata-rata. Viskositas pada suhu tertentu dapat digunakan untuk memprediksi sejauh mana fluktuasi. Hukum fisika yang menjelaskan hubungan fundamental ini adalah teorema fluktuasi-disipasi. Dengan kata sederhana, ini menyatakan: Semakin besar gaya yang Anda butuhkan untuk mengganggu sistem dari luar, semakin sedikit ia juga akan berfluktuasi secara acak (yaitu, secara statistik) dengan sendirinya jika Anda membiarkannya. “Kami sekarang telah memastikan validitas teorema untuk kelompok khusus sistem kuantum untuk pertama kalinya: kondensat Bose-Einstein,” jelas Dr. Julian Schmitt dari Institute of Applied Physics di University of Bonn. Foton (hijau) dapat "ditelan" oleh molekul pewarna (merah) dan kemudian "dimuntahkan" lagi. Semakin besar kemungkinannya, semakin banyak jumlah foton berfluktuasi. (Gambar: J. Schmitt, Universitas Bonn)

"Super foton" terbuat dari ribuan partikel cahaya

Kondensat Bose-Einstein adalah bentuk materi eksotis yang dapat muncul karena efek mekanika kuantum: Dalam kondisi tertentu, partikel, baik itu atom, molekul, atau bahkan foton (partikel penyusun cahaya), menjadi tidak dapat dibedakan. Ratusan atau ribuan dari mereka bergabung menjadi satu "partikel super" - kondensat Bose-Einstein (BEC). Dalam cairan pada suhu terbatas, molekul bergerak bolak-balik secara acak. Semakin hangat cairannya, semakin jelas fluktuasi termal ini. Kondensat Bose-Einstein juga dapat berfluktuasi: Jumlah partikel yang terkondensasi bervariasi. Dan fluktuasi ini juga meningkat dengan naiknya suhu. “Jika teorema fluktuasi-disipasi berlaku untuk BEC, semakin besar fluktuasi jumlah partikelnya, semakin sensitif mereka harus merespons gangguan eksternal,” Schmitt menekankan. “Sayangnya, jumlah fluktuasi BEC yang biasanya dipelajari dalam gas atom ultradingin terlalu kecil untuk menguji hubungan ini.” Namun, kelompok penelitian Prof. Dr. Martin Weitz, di mana Schmitt adalah pemimpin kelompok penelitian junior, bekerja dengan kondensat Bose-Einstein yang terbuat dari foton. Dan untuk sistem ini, batasan tersebut tidak berlaku. “Kami membuat foton dalam BEC kami berinteraksi dengan molekul pewarna,” jelas fisikawan tersebut, yang baru-baru ini memenangkan hadiah yang sangat diberkahi untuk ilmuwan muda dari Uni Eropa, yang dikenal sebagai Hibah Permulaan ERC. Ketika foton berinteraksi dengan molekul pewarna, sering terjadi molekul "menelan" foton. Pewarna dengan demikian menjadi bersemangat secara energik. Ia nantinya dapat melepaskan energi eksitasi ini dengan "memuntahkan" sebuah foton.

Foton berenergi rendah lebih jarang ditelan

“Karena kontak dengan molekul pewarna, jumlah foton di BEC kami menunjukkan fluktuasi statistik yang besar,” kata fisikawan tersebut. Selain itu, para peneliti dapat dengan tepat mengontrol kekuatan variasi ini: Dalam percobaan, foton terjebak di antara dua cermin, di mana foton tersebut dipantulkan bolak-balik dengan cara permainan ping-pong. Jarak antar cermin bisa bervariasi. Semakin besar, semakin rendah energi foton. Karena foton berenergi rendah lebih kecil kemungkinannya untuk menggairahkan molekul pewarna (sehingga lebih jarang tertelan), jumlah partikel cahaya yang terkondensasi sekarang berfluktuasi jauh lebih sedikit. Fisikawan Bonn sekarang menyelidiki bagaimana tingkat fluktuasi terkait dengan "respons" BEC. Jika teorema disipasi-fluktuasi berlaku, sensitivitas ini akan menurun seiring dengan penurunan fluktuasi. “Faktanya, kami dapat mengonfirmasi efek ini dalam eksperimen kami,” tegas Schmitt, yang juga anggota Area Penelitian Transdisipliner (TRA) “Materi” di Universitas Bonn dan Cluster of Excellence “ML4Q – Materi dan Ringan untuk Komputasi Kuantum.” Seperti cairan, sekarang dimungkinkan untuk menyimpulkan sifat mikroskopis kondensat Bose-Einstein dari parameter respons makroskopis yang dapat diukur dengan lebih mudah. "Ini membuka jalan untuk aplikasi baru, seperti penentuan temperatur yang tepat dalam sistem fotonik kompleks," kata Schmitt.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php