Barcelona, Gatra.com-Fisikawan membuat rekor baru dengan menghubungkan sup panas 15 triliun atom dalam sebuah fenomena aneh yang disebut keterikatan kuantum. Temuan ini bisa menjadi terobosan besar untuk menciptakan sensor yang lebih akurat untuk mendeteksi riak-riak dalam ruang-waktu yang disebut gelombang gravitasi atau bahkan materi gelap yang sulit dipahami yang merembes ke alam semesta. Livescience.com, 08/06.

Keterjeratan, sebuah fenomena kuantum yang dikenalkan Albert Einstein digambarkan sebagai "aksi di kejauhan," adalah proses di mana dua atau lebih partikel menjadi terkait dan tindakan apa pun yang dilakukan mempengaruhi satu sama lain terlepas dari seberapa jauh jarak mereka. Keterjeratan terletak di jantung banyak teknologi yang muncul, seperti komputasi kuantum dan kriptografi.

Status terjerat terkenal karena rapuh. Tautan kuantum mereka dapat dengan mudah diputuskan sedikit getaran internal atau gangguan dari dunia luar. Untuk alasan ini, para ilmuwan berusaha untuk mencapai suhu terdingin yang mungkin dalam percobaan untuk melibatkan atom gelisah; semakin rendah suhunya, semakin kecil kemungkinan atom untuk saling memantul dan memecah koherensi mereka. Untuk studi baru, para peneliti di Institute of Photonic Science (ICFO) di Barcelona, Spanyol, mengambil pendekatan yang berlawanan, memanaskan atom hingga jutaan kali lebih panas daripada eksperimen kuantum biasa untuk melihat apakah keterikatan dapat bertahan dalam lingkungan yang panas dan kacau.

"Keterikatan adalah salah satu teknologi kuantum yang paling luar biasa, tetapi terkenal rapuh," kata Jia Kong, seorang ilmuwan tamu di ICFO dan penulis utama penelitian ini. "Sebagian besar teknologi kuantum yang terkait dengan keterikatan harus diterapkan dalam lingkungan bersuhu rendah, seperti sistem atom dingin. Ini membatasi penerapan status keterikatan. Apakah keterikatan dapat bertahan dalam lingkungan yang panas dan berantakan adalah pertanyaan yang menarik."

Para peneliti memanaskan tabung gelas kecil yang diisi dengan rubidium yang diuapkan dan gas nitrogen inert hingga 350 derajat Fahrenheit (177 derajat Celcius), yang merupakan suhu sempurna untuk membuat kue. Pada suhu ini, awan panas atom rubidium dalam keadaan kacau, dengan ribuan tabrakan atom terjadi setiap detik. Seperti bola-bola bilyar, atom-atom saling memantul, mentransfer energi dan putaran mereka. Tetapi tidak seperti biliar klasik, putaran ini tidak mewakili gerakan fisik atom.

Dalam mekanika kuantum, putaran adalah properti fundamental dari partikel, seperti halnya massa atau muatan listrik, yang memberikan partikel momentum sudut intrinsik. Dalam banyak hal, putaran partikel analog dengan planet yang berputar, memiliki momentum sudut dan menciptakan medan magnet yang lemah, yang disebut momen magnetik. Tetapi di dunia mekanika kuantum yang aneh, analogi klasik berantakan. Gagasan bahwa partikel seperti proton atau elektron memutar benda padat dengan ukuran dan bentuk tidak sesuai dengan pandangan dunia kuantum. Dan ketika para ilmuwan mencoba mengukur putaran partikel, mereka mendapatkan satu dari dua jawaban: naik atau turun. Tidak ada perantara dalam mekanika kuantum.

Untungnya, medan magnet kecil yang diciptakan oleh putaran partikel memungkinkan para ilmuwan untuk mengukur putaran dalam sejumlah cara unik. Salah satunya melibatkan cahaya terpolarisasi, atau gelombang elektromagnetik yang berosilasi dalam satu arah.

Para peneliti menembakkan seberkas cahaya terpolarisasi pada tabung atom rubidium. Karena atom berputar seperti magnet kecil, polarisasi cahaya berputar ketika melewati gas dan berinteraksi dengan medan magnetnya. Interaksi atom ringan ini menciptakan keterikatan skala besar antara atom dan gas. Ketika peneliti mengukur rotasi gelombang cahaya yang keluar dari sisi lain tabung gelas, mereka dapat menentukan putaran total gas atom, yang akibatnya mentransfer keterikatan ke atom dan meninggalkannya dalam keadaan terjerat.

"Pengukuran yang kami gunakan didasarkan pada interaksi atom-cahaya," kata Kong. "Dengan kondisi yang tepat, interaksi akan menghasilkan korelasi antara cahaya dan atom, dan kemudian jika kita melakukan deteksi yang benar, korelasi tersebut akan ditransfer ke dalam atom, sehingga menciptakan keterjeratan antar atom. Yang mengejutkan adalah bahwa tumbukan acak ini tidak merusak keterjeratan."

Faktanya, lingkungan "panas dan berantakan" di dalam tabung gelas adalah kunci keberhasilan percobaan. Atom-atom itu dalam apa yang oleh fisikawan disebut keadaan singlet spin makroskopik, kumpulan pasangan jumlah total spin partikel terjerat ke nol. Atom-atom yang awalnya terjerat melewati keterikatan mereka satu sama lain melalui tabrakan dalam permainan kuantum, bertukar putaran mereka tetapi menjaga putaran total pada nol, dan memungkinkan keadaan keterikatan kolektif untuk bertahan setidaknya satu milidetik. Sebagai contoh, partikel A terjerat dengan partikel B, tetapi ketika partikel B mengenai partikel C, itu menghubungkan kedua partikel dengan partikel C, dan seterusnya.

"Ini berarti bahwa 1.000 kali per detik, kumpulan baru 15 triliun atom sedang terjerat," kata Kong dalam sebuah pernyataan. Satu milidetik "adalah waktu yang sangat lama untuk atom, cukup lama untuk sekitar 50 tabrakan acak terjadi. Ini jelas menunjukkan bahwa keterikatan tidak dihancurkan oleh peristiwa acak ini. Ini mungkin merupakan hasil paling mengejutkan dari penelitian ini."

Karena para ilmuwan hanya mampu memahami keadaan kolektif atom-atom yang terjerat, aplikasi penelitian mereka terbatas pada penggunaan khusus. Teknologi seperti komputer kuantum kemungkinan besar tidak dapat dipertanyakan, karena keadaan partikel-partikel yang saling terikat perlu diketahui untuk menyimpan dan mengirim informasi.

Namun, hasilnya dapat membantu mengembangkan detektor medan magnet ultra-sensitif, yang mampu mengukur medan magnet lebih dari 10 miliar kali lebih lemah dari medan magnet Bumi. Magnetometer yang kuat seperti itu memiliki aplikasi di banyak bidang ilmu pengetahuan. Sebagai contoh, dalam studi neuroscience, magnetoencephalography digunakan untuk mengambil gambar otak dengan mendeteksi sinyal magnetik ultra-redup yang dilepaskan oleh aktivitas otak.

"Kami berharap bahwa keadaan terjerat raksasa ini akan mengarah pada kinerja sensor yang lebih baik dalam aplikasi mulai dari pencitraan otak, hingga mobil self-driving, untuk mencari materi gelap," Morgan Mitchell, seorang profesor fisika dan pemimpin tim laboratorium. Hasilnya diterbitkan secara online 15 Mei di jurnal Nature Communications.