Kondensat Bose-Einstein: Partikel yang Krisis Identitas

Juni 13, 2020   fisika

Baru-baru ini ilmuwan berhasil mengonfirmasi fenomena Bose-Einstein Condensate (BEC) secara penuh di orbit Bumi di Cold Atom Laboratory. Sebelumnya, fenomena ini sudah dikonfirmasi di Bumi di tahun 1995. (Dihadiah Nobel Fisika tahun 2001) Dibandingkan dengan BEC di Bumi yang terganggu oleh gravitasi Bumi, BEC berperilaku berbeda di luar angkasa, yaitu adanya awan seperti halo di sekitar tubuh utama kondensat.

BEC adalah fasa ke-lima dari benda. Tiga fasa yang umum dikenal adalah fasa padat, fasa cair, dan fasa gas. Secara umum, zat padat akan mencair jika dipanaskan hingga titik leburnya, lalu zat cair akan menguap jika dipanaskan hingga titik uapnya. Fasa ke-empat yang dikenal adalah fasa plasma, yaitu ketika gas dipanaskan lebih lanjut sehingga elektron terionisasi dari inti atom menghasilkan plasma yang terdiri dari ion-ion. Nah, fasa ke-lima adalah BEC, adalah fasa yang lebih dingin dari fasa padat, yaitu di dekat temperatur absolut nol (-273°C). Jadi, urutan fasa benda menurut kenaikan temperatur: BEC, zat padat, cairan, gas, dan plasma.

BEC diprediksi oleh Albert Einstein berdasarkan riset yang cukup radikal dari Satyendra Nath Bose yang dikirimkan dari India kepadanya lewat surat. Bose berhipotesis bahwa distribusi gas biasa (Maxwell-Boltzmann) tidak akan bekerja pada partikel mikroskopis dikarenakan kuatnya ketidakpastian Heisenberg. Einstein menerima artikel dari Bose berjudul “Planck’s Law and the Hypothesis of Light Quanta” (Hukum Planck dan Hipotesis Kuanta Cahaya), menerjemahkannya ke dalam bahasa Jerman, dan dipublikasikan di Zeitschrift für Physik (1924), atas nama Bose untuk mengenalkan statistika baru, statistika Bose-Einstein. Dari nama ‘Bose’, fisikawan mengenal partikel boson, sebagaimana fermion dari nama ‘Fermi’ (Enrico Fermi). Beberapa waktu kemudian, Einstein memprediksi fasa baru dari benda, masih berdasarkan Bose.

Seperti apa fasa BEC ini? Jawabannya, aneh. Aneh karena ada di ranah mekanika kuantum. Pertama-tama, semakin kecil massa (atau momentum) suatu partikel, maka semakin panjang gelombang yang dihasilkan dari partikel tersebut, menurut hipotesis de Broglie:

Secara kasar: Semakin ringan suatu partikel, apalagi semakin lamban ia bergerak, maka semakin prominen sifat gelombang yang dimilikinya. Teori ini dikembangkan lagi menjadi panjang gelombang termal de Broglie. Pada temperatur rendah, kecepatan gerak partikel berkurang seiring berkurangnya temperatur dan ukuran paket gelombangnya terus melebar. Semakin rendah temperatur, semakin besar pula panjang gelombangnya. Gelombang-gelombang ini akan tumpang-tindih satu sama lain dan atom-atom ini mulai kehilangan identitasnya masing-masing. Hingga pada transisi fasa, seluruh atom ‘turun’ ke suatu entitas/keadaan kolektif yang sama. Akhirnya bentuk keseluruhan fasa layaknya sebuah kolam yang tidak berisi molekul air tetapi atom-atom super-dingin. Dengan riset yang baru saja dipublikasikan di Nature (2 hari yang lalu), diketahui kondensat ini memiliki halo di sekitar tubuh utamanya jika diamati di tempat minim gravitasi. Di Bumi, halo ini jatuh karena tarikan gravitasi.

BEC juga disebut sebagai titik paling ‘keren’ (dingin) di jagat raya pada temperature seratusan nano-Kelvin. Titik ini didinginkan dengan pendinginan laser dan dibantu pendinginan ‘cangkir kopi’. Visualisasi BEC dapat dilihat secara intuitif pada video berikut ini.

BEC menjadi sebuah model penting akan anehnya fisika dalam kondisi ekstrem. BEC adalah sebuah laser atom layaknya laser dari medan elektromagnet; penting untuk perkembangan komputer kuantum. BEC juga akan terus dipelajari sebagai model awal kondisi ekstrem alam semesta pada sesaat setelah Big Bang, dimana partikel bertemperatur tinggi-bertekanan tinggi bisa jadi mirip/proporsional dengan BEC yang bertemperatur rendah-bertekanan rendah. Harapannya, BEC juga dapat menjadi platform untuk mempelajari gravitasi pada level mekanika kuantum, didukung dengan sensitivitasnya dalam mendeteksi partikel/gaya lain.

Fenomena BEC juga menceritakan kisah dimana Einstein menghargai sebuah karya antah-berantah jauh dari sebuah negara berkembang. Meskipun begitu, ia menghargai permata yang tersembunyi tersebut, memandang apa yang menjadi fakta/hasil dan tidak sebelah mata kepada siapa yang mengeluarkan. Selama itu benar, tidak ada alasan untuk memandang sebelah mata suatu entitas maupun ras tertentu.

Lampiran: Surat Bose kepada Einstein

Respected Sir, I have ventured to send you the accompanying article for your perusal and opinion. I am anxious to know what you think of it. You will see that I have tried to deduce the coefficient 8π ν²/c³ in Planck's Law independent of classical electrodynamics, only assuming that the ultimate elementary region in the phase-space has the content h³. I do not know sufficient German to translate the paper. If you think the paper worth publication I shall be grateful if you arrange for its publication in Zeitschrift für Physik. Though a complete stranger to you, I do not feel any hesitation in making such a request. Because we are all your pupils though profiting only by your teachings through your writings. I do not know whether you still remember that somebody from Calcutta asked your permission to translate your papers on Relativity in English. You acceded to the request. The book has since been published. I was the one who translated your paper on Generalised Relativity. 

Publikasi Cold Atom Lab:

Aveline, D.C., Williams, J.R., Elliott, E.R. et al., Nature 582, 193–197 (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2346-1.