Fisikawan Caltech Mengusulkan Paradigma Baru Perilaku Kuantum Mikroskopis

Tinuku
(KeSimpulan) Para peneliti di California Institute of Technology (Caltech) mengusulkan sebuah paradigma baru yang memungkinkan para ilmuwan mengamati perilaku kuantum dalam sistem mekanis kecil. Ide-ide mereka yang dipublikasikan dalam jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), menawarkan cara baru mengatasi salah satu masalah yang paling menarik dalam mekanika kuantum yaitu sifat superposisi kuantum dan dalam keterikatan semakin besar sistem yang lebih kompleks.

Sebuah superposisi kuantum merupakan keadaan di mana sebuah partikel, seperti foton atau atom, ada secara bersamaan di dua lokasi. Belitan yang oleh Albert Einstein disebut "spooky action at a distance," memungkinkan partikel untuk berbagi informasi bahkan jika mereka terpisah secara fisik. Tantangan utama dalam mengamati perilaku kuantum dalam sistem mekanis kecil menekan interaksi antara sistem dan kegaduhan lingkungan yaitu, materi di sekitarnya mendukung sistem atau kontak eksternal lainnya. Getaran termal acak dari sistem lingkungan, misalnya, dapat ditransfer ke obyek mekanik dan menghancurkan properti rapuh kuantum.

Untuk mengatasi masalah ini, sejumlah kelompok di seluruh dunia telah mulai menggunakan cryogenic setups di mana lingkungan segera didinginkan ke temperatur yang sangat rendah untuk mengurangi besarnya getaran acak. Tim Caltech pada dasarnya menunjukkan pendekatan yang berbeda yaitu dengan menggunakan kekuatan yang diberikan oleh berkas cahaya yang kuat untuk "melayang" seluruh objek mekanis, dengan demikian membebaskan dari kontak eksternal dan material yang mendukung. Pendekatan ini dapat secara dramatis mengurangi kebisingan lingkungan, ke titik di mana beragam manifestasi perilaku kuantum harus diamati bahkan ketika lingkungan berada pada suhu kamar.

Di antara ilmuwan yang terlibat adalah Darrick Chang, sarjana postdoctoral dari Caltech's Institute for Quantum Information; Oskar Painter, professor fisika terapan; dan H. Jeff Kimble, profesor fisika dari Caltech's William L. Valentine. Mereka menggunakan kekuatan optik untuk menjebak atau membuat partikel kecil melayang yang sebenarnya bersifat solid. Hal ini dipelopori oleh Arthur Ashkin dari Bell Laboratories pada tahun 1970-an dan 1980-an di mana sejak itu membentuk dasar ilmiah seperti pengmbangan "optical tweezers" yang sering digunakan untuk mengontrol gerakan benda-benda biologis kecil, juga penggunaan laser untuk mendinginkan atom dan menjebak di angkasa. Teknik-teknik ini menyediakan toolbox yang sangat fleksibel untuk memanipulasi atom dan telah digunakan untuk menunjukkan berbagai fenomena kuantum pada tingkat atom.

Chang dan koleganya menunjukkan keberhasilan teoritis yang sama dapat dicapai apabila individu atom diganti dengan yang jauh lebih besar (tapi masih berskala nano) sistem mekanis. Sebuah skema terkait telah disajikan secara serentak oleh suatu kelompok ilmuwan di Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching, Jerman. Sistem yang diusulkan oleh tim Caltech terdiri dari bola kecil yang terbuat dari bahan yang sangat transparan seperti leburan silika. Ketika bola datang ke dalam kontak dengan sinar laser, kekuatan optik secara alami mendorong bola ke arah titik intensitas cahaya paling besar, memerangkap bola pada titik tersebut. Bola biasanya sekitar diameter 100nm (kira-kira 1/1000 lebar rambut manusia). Karena ukurannya yang kecil, masih tersisa di lingkup interaksi dengan lingkungan hidup (apapun yang tidak melibatkan kontak langsung dengan bahan lain karena bola melayang) cukup lemah sehingga perilaku kuantum harus lebih mudah muncul.

Perilaku seperti itu muncul, tetapi bola juga harus ditempatkan di dalam rongga optik yang dibentuk oleh dua cermin yang terletak di kedua sisi bola yang terperangkap. Cahaya yang memantul bolak-balik di antara kedua cermin mengerakan bola dan digunakan untuk memanipulasi gerakan di tingkat mekanika kuantum. Para peneliti menggambarkan bagaimana interaksi ini dapat digunakan untuk menghilangkan energi dari (atau dingin) gerakan mekanis hingga mencapai keadaan dasar kuantum, energi terendah yang dibolehkan oleh mekanika kuantum.

Batas mendasar untuk proses ini ditentukan oleh kekuatan relatif optik dan laju pendinginan pada lingkungan yang cenderung ke gerakan panas (energi balik), membawanya kembali ke suhu lingkungan. Pada prinsipnya, gerakan bola yang terisolasi baik dapat didinginkan mulai dari suhu kamar ke suhu akhir yang sepuluh juta kali lebih rendah. Dalam kondisi super dingin, pusat massa bola hanya mungkin bergerak jumlah minimum yang ditetapkan oleh fluktuasi kuantum intrinsik.

Para peneliti juga mengusulkan suatu skema untuk mengamati fitur yang dikenal sebagai kumparan (belitan) yang terletak di jantung mekanika kuantum. Dua jarak jauh terletak dalam sistem yang terjerat kuantum berbagi korelasi di antara mereka yang lebih kuat dibandingkan pemunculan klasik. Dalam keadaan tertentu, belitan dapat menjadi sumber daya yang sangat berharga, membentuk dasar untuk memperbaiki proposal untuk lebih mewujudkan metrology dan menguatkan tenaga (kuantum) komputer.

Skema yang diusulkan terdiri dari mengirim sepasang berkas cahaya yang terjerat, produksi yang pertama kali dilakukan oleh kelompok Kimble di Caltech pada tahun 1992, menjadi dua rongga terpisah, masing-masing berisi bola. Melalui sebuah proses yang dikenal sebagai quantum-state transfer, semua sifat-sifat cahaya secara khusus, keterikatan, dan korelasi yang terkait dapat dipetakan ke gerakan dua daerah. Sementara ukuran objek nanomechanical ini masih sangat jauh dari yang kita kaitkan dengan pengalaman sehari-hari, para peneliti Caltech percaya bahwa usulan mereka menyajikan peluang yang menarik untuk memahami dan mengontrol fenomena kuantum pada skala yang belum pernah terjadi sebelumnya, dalam hal ini untuk obyek yang berisi sekitar 10 juta atom.

Peneliti lain yang terlibat termasuk mahasiswa pascasarjana Dalziel Wilson serta sarjana postdoctoral Regal Cindy dan Scott Papp di Caltech; Jun Ye, fellow di JILA, lembaga gabungan dari University of Colorado di Boulder dan National Institute of Standards and Technology, dan peter Zoller, profesor dari University of Innsbruck. Ye dan Zoller banyak berdiskusi ke Gordon dan Betty Moore Distinguished Scholars di Caltech. "Cavity optomechanics using an optically levitated nanosphere," didukung dana oleh Gordon dan Betty Moore Foundation, National Science Foundation, the Army Research Office, Northrop Grumman Space Technology, Austrian Science Fund, dan European Union Projects.
Tinuku Store

No comments:

Post a Comment