Bagaimana atom yang sangat dingin dan sangat padat menjadi tidak terlihat – Majalah Time.com

  • Whatsapp


Elektron atom diatur dalam kulit energi. Seperti penonton konser di arena, setiap elektron menempati satu kursi dan tidak dapat turun ke tingkat yang lebih rendah jika semua kursinya terisi. Sifat dasar fisika atom ini dikenal sebagai prinsip pengecualian Pauli, dan ini menjelaskan struktur kulit atom, keragaman tabel periodik unsur, dan stabilitas alam semesta material.

Bacaan Lainnya

Sekarang, fisikawan MIT telah mengamati prinsip pengecualian Pauli, atau pemblokiran Pauli, dengan cara yang sama sekali baru: Mereka telah menemukan bahwa efeknya dapat menekan bagaimana awan atom menyebarkan cahaya.

Biasanya, ketika foton cahaya menembus awan atom, foton dan atom dapat saling bergesekan seperti bola bilyar, menyebarkan cahaya ke segala arah untuk memancarkan cahaya, dan dengan demikian membuat awan terlihat. Namun, tim MIT mengamati bahwa ketika atom didinginkan dan di-ultrasqueezed, efek Pauli muncul dan partikel secara efektif memiliki lebih sedikit ruang untuk menyebarkan cahaya. Foton malah mengalir, tanpa tersebar.

Dalam percobaan mereka, fisikawan mengamati efek ini di awan atom lithium. Ketika mereka dibuat lebih dingin dan lebih padat, atom-atom menyebarkan lebih sedikit cahaya dan menjadi semakin redup. Para peneliti menduga bahwa jika mereka dapat mendorong kondisi lebih jauh, ke suhu nol mutlak, awan akan menjadi sama sekali tidak terlihat.

Hasil tim, dilaporkan di Sains, mewakili pengamatan pertama efek pemblokiran Pauli pada hamburan cahaya oleh atom. Efek ini diprediksi 30 tahun yang lalu tetapi tidak diamati sampai sekarang.

“Pemblokiran Pauli secara umum telah terbukti, dan sangat penting untuk stabilitas dunia di sekitar kita,” kata Wolfgang Ketterle, Profesor Fisika John D. Arthur di MIT. “Apa yang kami amati adalah satu bentuk pemblokiran Pauli yang sangat khusus dan sederhana, yaitu mencegah atom dari apa yang secara alami akan dilakukan semua atom: menyebarkan cahaya. Ini adalah pengamatan pertama yang jelas bahwa efek ini ada, dan ini menunjukkan fenomena baru dalam fisika.”

Rekan penulis Ketterle adalah penulis utama dan mantan postdoc MIT Yair Margalit, mahasiswa pascasarjana Yu-kun Lu, dan Furkan Top PhD ’20. Tim ini berafiliasi dengan MIT Physics Department, MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, dan MIT’s Research Laboratory of Electronics (RLE).

Tendangan ringan

Ketika Ketterle datang ke MIT sebagai postdoc 30 tahun yang lalu, mentornya, David Pritchard, Profesor Fisika Cecil dan Ida Green, membuat prediksi bahwa pemblokiran Pauli akan menekan cara atom tertentu yang dikenal sebagai fermion menyebarkan cahaya.

Idenya, secara umum, adalah bahwa jika atom dibekukan hingga hampir berhenti dan terjepit ke dalam ruang yang cukup rapat, atom akan berperilaku seperti elektron dalam cangkang energi yang dikemas, tanpa ruang untuk mengubah kecepatan, atau posisinya. Jika foton cahaya mengalir masuk, mereka tidak akan bisa menyebar.

“Sebuah atom hanya dapat menyebarkan foton jika ia dapat menyerap gaya tendangannya, dengan berpindah ke kursi lain,” jelas Ketterle, menerapkan analogi tempat duduk arena. “Jika semua kursi lain ditempati, ia tidak lagi memiliki kemampuan untuk menyerap tendangan dan menyebarkan foton. Jadi, atom menjadi transparan.”

“Fenomena ini belum pernah diamati sebelumnya, karena orang tidak mampu menghasilkan awan yang cukup dingin dan padat,” tambah Ketterle.

“Mengendalikan dunia atom”

Dalam beberapa tahun terakhir, fisikawan termasuk dalam kelompok Ketterle telah mengembangkan teknik magnetik dan berbasis laser untuk membawa atom ke suhu yang sangat dingin. Faktor pembatas, katanya, adalah kepadatan.

“Jika kepadatannya tidak cukup tinggi, sebuah atom masih dapat menyebarkan cahaya dengan melompati beberapa kursi sampai menemukan ruang,” kata Ketterle. “Itulah hambatannya.”

Dalam studi baru mereka, ia dan rekan-rekannya menggunakan teknik yang mereka kembangkan sebelumnya untuk pertama membekukan awan fermion – dalam hal ini, isotop khusus atom lithium, yang memiliki tiga elektron, tiga proton, dan tiga neutron. Mereka membekukan awan atom lithium hingga 20 mikrokelvin, yaitu sekitar 1/100.000 suhu ruang antarbintang.

“Kami kemudian menggunakan laser terfokus ketat untuk memeras atom ultradingin untuk merekam kepadatan, yang mencapai sekitar satu kuadriliun atom per sentimeter kubik,” jelas Lu.

Para peneliti kemudian menyorotkan sinar laser lain ke awan, yang mereka kalibrasi dengan hati-hati sehingga foton tidak akan memanaskan atom yang sangat dingin atau mengubah kerapatannya saat cahaya melewatinya. Akhirnya, mereka menggunakan lensa dan kamera untuk menangkap dan menghitung foton yang berhasil dihamburkan.

“Kami sebenarnya menghitung beberapa ratus foton, yang benar-benar menakjubkan,” kata Margalit. “Sebuah foton memiliki sedikit cahaya, tetapi peralatan kami sangat sensitif sehingga kami dapat melihatnya sebagai gumpalan cahaya kecil di kamera.”

Pada suhu yang semakin dingin dan kepadatan yang lebih tinggi, atom-atom menyebarkan semakin sedikit cahaya, seperti yang diprediksi oleh teori Pritchard. Pada suhu terdingin, sekitar 20 mikrokelvin, atom 38 persen lebih redup, yang berarti mereka menyebarkan cahaya 38 persen lebih sedikit daripada atom yang kurang dingin dan kurang rapat.

“Rezim awan yang sangat dingin dan sangat padat ini memiliki efek lain yang mungkin bisa menipu kita,” kata Margalit. “Jadi, kami menghabiskan beberapa bulan yang baik untuk menyaring dan mengesampingkan efek ini, untuk mendapatkan pengukuran yang paling jelas.”

Sekarang tim telah mengamati pemblokiran Pauli memang dapat mempengaruhi kemampuan atom untuk menyebarkan cahaya, Ketterle mengatakan pengetahuan dasar ini dapat digunakan untuk mengembangkan bahan dengan hamburan cahaya yang ditekan, misalnya untuk menyimpan data di komputer kuantum.

“Setiap kali kita mengendalikan dunia kuantum, seperti di komputer kuantum, hamburan cahaya adalah masalah, dan berarti informasi bocor dari komputer kuantum Anda,” renungnya. “Ini adalah salah satu cara untuk menekan hamburan cahaya, dan kami berkontribusi pada tema umum mengendalikan dunia atom.”

Penelitian ini didanai, sebagian, oleh National Science Foundation dan Departemen Pertahanan. Pekerjaan terkait oleh tim dari University of Colorado dan University of Otago muncul dalam edisi yang sama dari Sains.

Ditulis oleh Jennifer Chu

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts



Pos terkait

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *