Sebuah tim fisikawan internasional telah secara langsung mengamati fenomena kuantum yang berlawanan dengan intuisi di mana rotasi atom dalam kisi kristal berbalik arah sambil secara ketat mematuhi kekekalan momentum sudut. Penemuan ini, yang dipublikasikan di Nature Physics, memberikan wawasan baru tentang asal mula magnetisme dan membuka jalur untuk mengendalikan material kuantum dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Tantangan Melacak Momentum Sudut
Dalam fisika klasik, momentum sudut bersifat intuitif: roda sepeda atau komidi putar yang berputar mempertahankan rotasinya kecuali ada gaya eksternal yang mempengaruhinya. Namun dalam fisika kuantum, momentum sudut adalah sifat dasar yang mengatur kemagnetan dan perilaku atom. Meskipun hukum kekekalan menyatakan bahwa momentum ini tidak dapat diciptakan atau dihancurkan dalam sistem tertutup, pelacakan bagaimana momentum bergerak dan bertransformasi dalam struktur kompleks kristal padat masih sulit dipahami.
Lebih dari satu abad yang lalu, Albert Einstein dan Wander Johannes de Haas menunjukkan hubungan antara magnetisasi dan rotasi mekanis. Sejak saat itu, para ilmuwan berusaha memahami dengan tepat bagaimana momentum sudut berpindah melalui kisi kristal —susunan atom-atom dalam benda padat yang teratur dan berulang. Hingga saat ini, proses perpindahan ini sebagian besar masih bersifat teoritis, sehingga sulit untuk dimanipulasi atau diprediksi.
Observasi Langsung melalui Laser Terahertz
Para peneliti dari Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institut Fritz Haber dari Max Planck Society, dan institusi di Jülich dan Eindhoven berhasil menjembatani kesenjangan ini. Dengan menggunakan pulsa laser terahertz yang kuat, mereka dapat secara langsung mengamati dan memanipulasi aliran momentum sudut dalam kristal bismuth selenide.
Eksperimen ini melibatkan proses dua langkah:
1. Eksitasi: Satu pulsa laser ultracepat mendorong getaran kisi tertentu menjadi gerakan melingkar, menyuntikkan momentum sudut ke dalam sistem.
2. Pengukuran: Pulsa kedua mengukur getaran terhubung yang dihasilkan dalam kisi kristal.
Pengaturan ini memungkinkan tim untuk melacak bagaimana momentum sudut berpindah antara mode getaran atom yang berbeda, sehingga mengungkap mekanisme magnetisme pada tingkat fundamental.
Fenomena “1 + 1 = -1”.
Temuan yang paling mencolok adalah selama perpindahan momentum sudut antara getaran kisi, arah rotasi terbalik. Pembalikan ini terjadi karena simetri rotasi kristal. Dalam keadaan kuantum tertentu, rotasi dalam arah yang berlawanan secara fisik identik, sehingga memungkinkan sistem untuk mempertahankan momentum sudut total sambil membalikkan arah putaran yang terlihat.
Para peneliti menggambarkan ini sebagai efek kuantum “1 + 1 = −1”. Ketika dua unit momentum sudut kisi digabungkan, keduanya menghasilkan rotasi baru dengan frekuensi dua kali lipat tetapi arah rotasi berlawanan. Perilaku ini mirip dengan proses Umklapp, di mana simetri kisi kristal secara efektif membalikkan gerakan.
“Saya merasa sangat elegan bagaimana hukum fisika ditentukan secara langsung oleh kesimetrian alam,” kata Olga Minakova, peneliti doktoral di Fritz Haber Institute dan fisikawan eksperimental pusat studi tersebut.
Implikasinya terhadap Teknologi Masa Depan
Pengamatan ini berfungsi sebagai tanda mekanika kuantum langsung dari kekekalan momentum sudut pada benda padat. Hal ini menegaskan bahwa simetri struktur material memainkan peran penting dalam menentukan bagaimana sifat kuantum berperilaku.
Sebastian Maehrlein, kepala departemen di HZDR dan pemimpin penelitian ini, mencatat pentingnya temuan ini: “Bagi saya, ini adalah hasil yang sangat menarik. Kami telah menemukan sesuatu yang secara fundamental baru dan diharapkan dapat dimasukkan ke dalam buku teks.”
Di luar kepentingan teoritis, kemampuan untuk mengontrol arah rotasi menggunakan pulsa laser dapat menyebabkan:
* Kontrol proses ultracepat yang lebih baik dalam material kuantum.
* Perangkat memori tingkat lanjut yang memanfaatkan status kuantum untuk penyimpanan data.
* Teknologi informasi generasi mendatang berdasarkan manipulasi momentum sudut yang tepat.
Kesimpulan
Dengan mengungkap bagaimana momentum sudut dapat membalikkan arah namun tetap kekal, penelitian ini memperdalam pemahaman kita tentang magnetisme dan simetri kuantum. Hal ini menandai langkah signifikan menuju penguasaan kendali material kuantum untuk aplikasi teknologi masa depan.
