PROBACA.COM – Apa yang terjadi kalau sekumpulan atom dipaksa bergonta-ganti dari saling menolak menjadi saling menarik—berulang kali, dalam kondisi ekstrem? Dugaan awalnya mungkin sederhana: sistem akan menjadi panas dan berantakan. Namun, fisikawan justru menemukan sesuatu yang jauh lebih aneh. Atom-atom itu membentuk keadaan kuantum baru yang disebut fractional Fermi sea, atau “laut Fermi fraksional”.
Temuan ini dilaporkan dalam jurnal Physical Review Letters. Peneliti dari kelompok Hanns-Christoph Nägerl, bersama fisikawan teori Alvise Bastianello dari CNRS dan Université Paris-Dauphine, menunjukkan bagaimana keadaan eksotis tersebut dapat direkayasa. Dasarnya kemudian membantu penelitian eksperimen terbaru yang dilakukan tim Nägerl di Department of Experimental Physics.
Untuk membayangkan apa itu “laut Fermi”, kita bisa melihat cara penumpang memenuhi kursi bioskop. Partikel bernama fermion—kelompok yang mencakup elektron—tidak bisa semuanya duduk di kursi kuantum yang sama. Mereka harus mengisi tingkat energi yang tersedia menurut aturan tertentu. Pada suhu yang sangat rendah, susunan ini membentuk keadaan yang dikenal sebagai Fermi sea.
Namun, para peneliti ingin menguji apa yang terjadi jika aturan mainnya terus diguncang. Mereka menggunakan atom cesium ultradingin yang dikurung dalam sistem satu dimensi. Artinya, atom-atom itu hanya bisa bergerak sepanjang satu arah, seperti orang-orang yang hanya boleh berjalan di satu lorong sempit. Kondisi ini membuat interaksi antaratom dapat dikendalikan dengan sangat teliti.
Interaksi tersebut lalu diubah-ubah berulang kali, dari gaya tolak yang kuat menjadi gaya tarik yang kuat. Perhitungannya mengungkap hasil yang tidak biasa. Bermula dari ground state—konfigurasi dengan energi terendah—atom-atom dapat didorong ke keadaan yang sangat tereksitasi tanpa kehilangan pola keteraturan dasarnya.
“Alih-alih sekadar memanaskan sistem, siklus interaksi ini menata ulang atom-atom menjadi keadaan banyak-partikel yang baru,” kata Yi Zeng, penulis utama studi tersebut. Karena partikel-partikelnya seolah mengikuti aturan baru dalam mengisi keadaan kuantum, para peneliti menyebut konfigurasi ini fractional Fermi sea.
Yang membuatnya makin menarik, keadaan ini memang sangat tereksitasi, tetapi tidak acak. Dalam fisika, sistem yang berada jauh dari equilibrium—kondisi ketika sifat-sifat keseluruhannya sudah mencapai keseimbangan stabil—biasanya bisa berperilaku rumit. Laut Fermi fraksional ternyata masih menyimpan tatanan tersembunyi.
Tanda-tandanya terlihat dari pola matematika dalam hubungan antarpartikel. Salah satunya adalah Friedel oscillations, berupa riak seperti gelombang yang muncul karena partikel-partikel saling memengaruhi. Peneliti juga menemukan pola tak biasa dalam melemahnya korelasi antarpartikel ketika jarak mereka bertambah, bahkan saat interaksi tolak-menolak tergolong lemah.
Pola-pola tersebut tidak cocok dengan prediksi teori Tomonaga-Luttinger liquid, kerangka teori yang selama ini banyak dipakai untuk menggambarkan partikel-partikel kuantum yang saling berinteraksi dalam sistem satu dimensi. Dengan kata lain, keadaan baru ini menunjukkan perilaku yang tidak sepenuhnya bisa dijelaskan oleh teori lama.
“Keadaan ini sangat tereksitasi, tetapi tidak acak,” ujar Hanns-Christoph Nägerl. “Ia memiliki keteraturan tersembunyi yang terlihat melalui korelasinya.”
Penemuan ini juga memunculkan teka-teki baru tentang partikel efektif yang muncul di dalam sistem. Dalam fisika, kuasipartikel adalah eksitasi kolektif—gerakan terkoordinasi banyak partikel yang dapat berperilaku seolah-olah merupakan satu partikel. Nägerl bahkan menduga eksitasi aneh ini mungkin kelak perlu diberi nama khusus. “Mungkin ‘super-Fermion’?” ujarnya.
Lebih luas lagi, laut Fermi fraksional dipandang sebagai fase kritis materi kuantum yang eksotis, dengan pola korelasi khas di luar gambaran yang sudah ada untuk sistem kuantum satu dimensi. Temuan ini sekaligus memperlihatkan kekuatan simulasi kuantum: bukan hanya meniru fenomena yang sudah dipahami, tetapi juga merancang dan mengamati keadaan yang sebelumnya belum dikenal.
Atom ultradingin menjadi alat yang sangat berguna karena interaksinya bisa diatur dengan presisi. Dengan mengubah cara atom-atom itu saling menarik dan menolak, ilmuwan dapat menjelajahi wilayah perilaku kuantum yang sulit diwujudkan dalam sistem biasa.
Nah, kejutan utamanya bukan sekadar bahwa atom bisa didorong ke kondisi ekstrem. Yang lebih menarik, setelah dipaksa jauh dari keseimbangan, mereka ternyata tidak kehilangan pola—mereka justru menyimpan keteraturan kuantum baru yang tersembunyi.
***
DISCLAIMER: Sebagian proses pengolahan artikel ini dibantu oleh teknologi AI. Pembaca disarankan memverifikasi kembali data dan informasi melalui sumber resmi atau sumber primer
Disadur dari ScienceDaily
