Fisikawan Akhirnya Mengamati Keadaan Eksotis Materi yang Pertama Diprediksi pada tahun 1973
Sebuah tim peneliti telah mengamati keadaan materi yang belum pernah dilihat sebelumnya yang disebut cairan spin kuantum dengan bermain-main dengan spin pada atom rubidium superdingin menggunakan simulator kuantum. Penemuan ini berimplikasi pada cara kerja komputer kuantum dan, mungkin suatu hari nanti, lingkungan di mana bahan dapat menjadi superkonduktor.
Ada banyak keadaan (juga dikenal sebagai fase) materi untuk ditemukan di luar padat, cair, dan gas tradisional dari Kimia 101. Keadaan sesuatu mengacu pada strukturnya pada tingkat atom dan sifat-sifatnya—misalnya, seberapa kaku struktur molekul atau bagaimana elektronnya diatur tentang inti atom.
Keberadaan keadaan materi tertentu, yang disebut cairan spin kuantum, diprediksi pada tahun 1973 oleh mendiang Philip W. Anderson dan telah dipelajari sejak saat itu. Tetapi penelitian tentang negara bagian itu sarat dengan peringatan: cairan spin kuantum " muncul ", " proksimat ", dan " kandidat " berlimpah. Tim baru-baru ini—sekelompok ilmuwan dari Universitas Harvard, MIT, dan Universitas Innsbruck di Austria—mengatakan bahwa mereka telah menemukan contoh dari hal yang nyata dan telah mempublikasikan pengamatan mereka di jurnal Science.
“Ketika PW Anderson pertama kali mengusulkan gagasan tentang keadaan cairan berputar ini, dia sedang mencari model mikroskopis yang mungkin untuk menjelaskan superkonduktor suhu tinggi,” Giulia Semeghini, penulis utama makalah dan fisikawan kuantum di Harvard, mengatakan kepada Gizmodo dalam sebuah surel. Sementara hubungan antara cairan spin kuantum dan superkonduktor lengan- w masih belum jelas , sekarang model mikroskopis semacam itu telah dikembangkan.
Untuk menemukan keadaan materi, tim menggunakan sesuatu yang disebut simulator kuantum untuk meniru fisika yang terjadi pada zat padat hingga ke tingkat atom. Simulator menggunakan bentuk geometris untuk mewakili orientasi 219 atom rubidium dalam kisi, yang kemudian dapat dimanipulasi oleh tim sesuai keinginan mereka. (Mesin ini disebut simulator kuantum karena ini bukan komputer kuantum; ini adalah sistem bit kuantum yang disiapkan untuk menyelidiki masalah tertentu.)
“Ini adalah saat yang sangat istimewa di lapangan,” kata Mikhail Lukin, seorang ahli fisika di Harvard University dan rekan-penulis kertas, di sebuah universitas press release . “Anda benar-benar dapat menyentuh, menyodok, dan mendorong keadaan eksotis ini dan memanipulasinya untuk memahami sifat-sifatnya… Ini adalah keadaan materi baru yang tidak pernah dapat diamati orang.”
Keadaan kuantum tidak cair seperti yang mungkin Anda pikirkan; atom yang dipelajari tim tidak berhamburan, per se. Sebaliknya, putaran elektron rubidium adalah plin-plan dan tidak pernah sesuai.
Putaran elektron yang terus-menerus bertentangan dan berubah membuat logam dalam keadaan cair spin kuantum "frustrasi," dalam bahasa para ilmuwan, karena mereka tidak dapat menyelaraskan bagaimana mereka cenderung. Cairan putaran kuantum adalah salah satu keadaan kuantum yang paling terjerat, dan semakin terjerat suatu sistem, semakin kuat sistem itu— artinya komputer kuantum cenderung tidak jatuh dari superposisi.
“Memang, keadaan rekayasa tampaknya menunjukkan sifat kunci dari keterjeratan kuantum dalam QSL, yang luar biasa!!!” tulis Robert McQueeney, fisikawan di Iowa State University dan Ames Laboratory, dalam sebuah email. "Pekerjaan masa depan potensial yang pasti akan mengikuti bahkan lebih menarik, karena pendekatan atom dingin sangat mudah beradaptasi dan merdu."
Ketika keadaan menjadi cukup dingin, materi terkondensasi (padatan) menjadi cukup teratur. Urutan itulah yang membuat sistem superkonduktor sangat berguna untuk eksperimen sains yang presisi, mulai dari melacak tumbukan lubang hitam supermasif hingga memaksa elektron ke dalam sinar laser bertenaga tinggi untuk mempelajari struktur terkecil yang kita ketahui. Tetapi ketika didinginkan hingga tepat di atas nol mutlak, elektron-elektron atom rubidium menolak urutan itu dengan berada dalam keadaan fluks konstan, bahkan pada suhu rendah seperti itu: Mereka menjadi cairan putaran kuantum.
Bit komputer menurut definisi biner, artinya mereka hidup atau mati (1 atau 0, dalam bahasa biner). Komputer kuantum malah menggunakan qubit, yang mengandalkan prinsip superposisi, yang berarti mereka dapat diperlakukan sebagai hidup dan mati pada saat yang sama, memungkinkan komputer untuk mengejar banyak solusi secara bersamaan.
“Janji besar cairan putaran kuantum adalah bahwa mereka dapat digunakan untuk mewujudkan qubit yang kuat untuk komputer kuantum,” kata Semeghini. “Cara khas untuk menyandikan qubit sebenarnya cukup rapuh terhadap kebisingan dan gangguan eksternal. Mengkodekan informasi kuantum dalam qubit topologi, menggunakan keadaan topologi yang berbeda dari cairan spin kuantum, memunculkan qubit yang secara intrinsik tahan terhadap kebisingan.
Jika arah pertama, yang paling dapat diandalkan untuk mengambil penelitian ini adalah membuat qubit yang lebih kuat dan sebagai hasilnya komputer kuantum yang lebih efisien, cawan suci akan menjadi superkonduktor suhu kamar. Mereka adalah apa yang Anderson, yang memimpikan cairan spin kuantum, mencoba untuk bekerja, dan mereka telah menjadi ambisi fisika (dan industri energi) sejak kekuatan superkonduktivitas diwujudkan. Antara lain, menghilangkan hambatan dari sirkuit listrik pada suhu kamar akan merevolusi jaringan listrik seperti yang kita ketahui karena tidak akan ada energi yang hilang karena panas. Ini juga berarti kemajuan di mana pun magnet superkonduktor saat ini diperlukan: dalam teknologi medis seperti mesin MRI, akselerator partikel, dan dalam kereta melayang super cepat. Tapi ada jalan panjang sebelum mewujudkan mimpi itu.
Mengenai apakah cairan putaran kuantum dapat membantu mengatasi superkonduktivitas suhu kamar, Semeghini mengatakan bahwa “Eksperimen kami tidak secara langsung menjawab pertanyaan ini, tetapi ada kemungkinan bahwa melanjutkan penelitian pada jenis fase eksotis ini dapat membantu memahami lebih baik asal usul energi tinggi. superkonduktivitas suhu.”
Lebih lanjut: Mengapa Fisikawan Terus Menemukan Keadaan Materi Baru?
