Sebuah studi baru menemukan bukti pengamatan terowongan Klein, sebuah fenomena aneh yang memungkinkan partikel untuk melewati hambatan terberat sekalipun
Bayangkan Anda sedang berjalan dan menemui penghalang, seperti bukit atau dinding. Satu-satunya cara untuk membuatnya ke sisi lain adalah memanjat sepanjang jalan naik dan turun. Namun bagaimana jika Anda memiliki kekuatan super yang sama dengan partikel kuantum?
Hukum aneh mekanika kuantum memungkinkan partikel untuk kadang-kadang menerobos hambatan seperti mereka tidak ada, bahkan jika partikel tidak dapat memanjat apa pun yang ada di jalur mereka. Tetapi tantangan untuk menerobos hambatan ini meningkat saat penghalang jalan menjadi lebih tinggi, membuatnya sehingga lebih sedikit partikel yang bisa menerobos. Sebuah kasus khusus dari kuantum tunneling yang disebut tunneling Klein, bagaimanapun, mengubah permainan. Ini secara efektif membuat penghalang transparan, membuka portal yang memungkinkan partikel melewatinya, bahkan ketika tembok yang sangat tinggi menghalangi mereka.
Hampir 100 tahun yang lalu, fisikawan Swedia Oskar Klein pertama kali meramalkan fenomena ini. Namun hingga saat ini, para ilmuwan telah melihat tanda-tanda yang sangat terbatas tentang itu. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Nature pada 19 Juni yang lalu, tim peneliti interdisiplin menyajikan bukti langsung dari terowongan Klein.
Penemuan aksidental
Penelitian ini bukan yang pertama mengamati langsung efek ini. "Penerowongan Klein telah cukup baik ditunjukkan dalam graphene," bahan berbasis karbon, kata David Goldhaber-Gordon, seorang ahli fisika di Universitas Stanford yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Sebelum penemuan itu, "orang-orang tidak benar-benar berpikir tentang" mencari bukti eksperimental terowongan Klein dan "meletakkannya di rak," kata Ichiro Takeuchi, seorang ilmuwan bahan dan insinyur di University of Maryland, College Park, dan penulis senior dari studi baru. "Hasil pekerjaan saat ini lebih langsung," namun, daripada yang ditemukan dalam penelitian graphene, kata Boris Nadgorny, seorang ahli fisika di Wayne State University di Detroit, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Para peneliti juga menggunakan "pengaturan eksperimental yang dirancang dengan cerdik," katanya.
"Saya akan menyebutnya peletakan batu pertama," kata Teun Klapwijk, seorang nanoscientist kuantum di Institut Kavli Nanoscience di Universitas Teknologi Delft di Belanda yang tidak terlibat dalam penelitian, "karena itu adalah fenomena yang orang mungkin harapkan di atas kertas." untuk terjadi ... tetapi kita harus menemukan sistem eksperimental yang secara meyakinkan menunjukkan fenomena tersebut. "Eksperimen khusus ini menonjol sebagai" kasus yang jelas dari eksplorasi dan pemikiran eksperimental independen, "tambahnya.
Temuan ini mungkin bahkan lebih menakjubkan karena para peneliti tidak berangkat untuk mengamati fenomena ini. "Proyek ini berasal dari penelitian kami pada isolator topologi," kata Johnpierre Paglione, seorang ahli fisika di University of Maryland dan rekan penulis penelitian. Isolator topologis adalah bahan aneh dengan interior berinsulasi tetapi permukaan konduktif.
Selama beberapa tahun terakhir, ia dan rekan-rekannya telah mempelajari bahan yang disebut samarium hexaboride dan bekerja untuk menunjukkan bahwa itu adalah isolator topologi. Mereka mencari tanda-tanda bahwa samarium hexaboride menunjukkan perilaku kuantum, aspek penting untuk membuktikan bahwa suatu material memang merupakan isolator topologis.
Perilaku sempurna
Para peneliti menempatkan film tipis samarium hexaboride di atas senyawa lain yang, pada suhu rendah, menjadi superkonduktor — bahan yang dapat menghantarkan listrik tanpa perlawanan. Ketika mereka mendinginkan semuanya hingga hanya beberapa derajat di atas nol mutlak (–273,15° C), material kedua menjadi superkonduktor dan, melalui kedekatannya, begitu pula permukaan logam dari samarium hexaboride. Para ilmuwan kemudian menyentuh ujung logam kecil ke permukaan samarium hexaboride dan mempelajari bagaimana elektron masuk ke materi kedua.
Pada setiap batas antara logam dan superkonduktor, jenis pantulan khusus yang disebut pantulan Andreev terjadi, yang berasal dari kenyataan bahwa elektron dalam superkonduktor hanya berpasangan. Seperti dua orang dalam ras berkaki tiga, ketika satu elektron melompat dari logam ke superkonduktor, ia harus membawa "teman" dengannya. Karena muatan harus seimbang dalam sistem, bagaimanapun, "lubang" bermuatan positif - pada dasarnya, tidak adanya elektron di mana seharusnya ada satu - harus melompat kembali dari superkonduktor ke logam.
Para peneliti menghitung pergerakan elektron dan "lubang" dengan mengukur konduktansi sistem. Jika setiap elektron yang mencoba melompat ke superkonduktor berhasil, konduktansi akan berlipat ganda. Namun, ini biasanya tidak terjadi, karena dalam kebanyakan kasus, beberapa elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk melakukan lompatan. Elektron yang kurang energik memantulkan batas antara logam dan superkonduktor, membuat konduktansi sistem lebih dari 100 persen tetapi kurang dari dua kali lipat.
Yang mengejutkan para peneliti, konduktansi berlipat ganda terjadi dalam eksperimen samarium hexaboride mereka. Tim mendekati Victor Galitski, seorang ahli fisika teoritis di University of Maryland, dengan hasil yang aneh, yang bertahan pada percobaan berulang. Dia menyarankan bahwa tunneling Klein memungkinkan semua elektron untuk menggali melalui antarmuka fisik antara kedua bahan. Hukum konservasi lain yang berkaitan dengan perputaran elektron mencegah elektron yang tidak memiliki energi untuk melompati penghalang untuk kembali ke tempat asalnya, sehingga mereka "harus menerobos," katanya, yang mengarah pada konduktansi berlipat ganda sempurna.
"Hasil yang menarik ini secara eksperimental menunjukkan refleksi Andreev sempurna antara kontak titik normal" - ujung logam kecil— "dan superkonduktor yang diinduksi oleh kedekatan dalam isolator topologi, samarium hexaboride," kata Nadgorny. "Studi ini menghubungkan hasil yang tak terduga dan elegan ini dengan tidak adanya hamburan [elektron] normal, salah satu manifestasi kunci dari terowongan Klein," tambahnya.
Sekarang para peneliti telah menunjukkan quirk kuantum ini, mereka berharap dapat menggunakan temuan mereka untuk meningkatkan komponen komputer konvensional atau bahkan membuat bahan untuk perangkat kuantum di masa depan, kata Paglione. Memanfaatkan kekuatan tunneling elektron dapat membantu merancang "transistor sempurna" atau bahkan memecahkan masalah dengan persimpangan di komputer kuantum, katanya. Namun Klapwijk memperingatkan bahwa "rute ke aplikasi jauh lebih kompleks" daripada yang sering muncul.
Sumber: scientificamerican.com
 |
| Kredit: NORMAALS/GETTY IMAGE |
Bayangkan Anda sedang berjalan dan menemui penghalang, seperti bukit atau dinding. Satu-satunya cara untuk membuatnya ke sisi lain adalah memanjat sepanjang jalan naik dan turun. Namun bagaimana jika Anda memiliki kekuatan super yang sama dengan partikel kuantum?
Hukum aneh mekanika kuantum memungkinkan partikel untuk kadang-kadang menerobos hambatan seperti mereka tidak ada, bahkan jika partikel tidak dapat memanjat apa pun yang ada di jalur mereka. Tetapi tantangan untuk menerobos hambatan ini meningkat saat penghalang jalan menjadi lebih tinggi, membuatnya sehingga lebih sedikit partikel yang bisa menerobos. Sebuah kasus khusus dari kuantum tunneling yang disebut tunneling Klein, bagaimanapun, mengubah permainan. Ini secara efektif membuat penghalang transparan, membuka portal yang memungkinkan partikel melewatinya, bahkan ketika tembok yang sangat tinggi menghalangi mereka.
Hampir 100 tahun yang lalu, fisikawan Swedia Oskar Klein pertama kali meramalkan fenomena ini. Namun hingga saat ini, para ilmuwan telah melihat tanda-tanda yang sangat terbatas tentang itu. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Nature pada 19 Juni yang lalu, tim peneliti interdisiplin menyajikan bukti langsung dari terowongan Klein.
Penemuan aksidental
Penelitian ini bukan yang pertama mengamati langsung efek ini. "Penerowongan Klein telah cukup baik ditunjukkan dalam graphene," bahan berbasis karbon, kata David Goldhaber-Gordon, seorang ahli fisika di Universitas Stanford yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Sebelum penemuan itu, "orang-orang tidak benar-benar berpikir tentang" mencari bukti eksperimental terowongan Klein dan "meletakkannya di rak," kata Ichiro Takeuchi, seorang ilmuwan bahan dan insinyur di University of Maryland, College Park, dan penulis senior dari studi baru. "Hasil pekerjaan saat ini lebih langsung," namun, daripada yang ditemukan dalam penelitian graphene, kata Boris Nadgorny, seorang ahli fisika di Wayne State University di Detroit, yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Para peneliti juga menggunakan "pengaturan eksperimental yang dirancang dengan cerdik," katanya.
"Saya akan menyebutnya peletakan batu pertama," kata Teun Klapwijk, seorang nanoscientist kuantum di Institut Kavli Nanoscience di Universitas Teknologi Delft di Belanda yang tidak terlibat dalam penelitian, "karena itu adalah fenomena yang orang mungkin harapkan di atas kertas." untuk terjadi ... tetapi kita harus menemukan sistem eksperimental yang secara meyakinkan menunjukkan fenomena tersebut. "Eksperimen khusus ini menonjol sebagai" kasus yang jelas dari eksplorasi dan pemikiran eksperimental independen, "tambahnya.
Temuan ini mungkin bahkan lebih menakjubkan karena para peneliti tidak berangkat untuk mengamati fenomena ini. "Proyek ini berasal dari penelitian kami pada isolator topologi," kata Johnpierre Paglione, seorang ahli fisika di University of Maryland dan rekan penulis penelitian. Isolator topologis adalah bahan aneh dengan interior berinsulasi tetapi permukaan konduktif.
Selama beberapa tahun terakhir, ia dan rekan-rekannya telah mempelajari bahan yang disebut samarium hexaboride dan bekerja untuk menunjukkan bahwa itu adalah isolator topologi. Mereka mencari tanda-tanda bahwa samarium hexaboride menunjukkan perilaku kuantum, aspek penting untuk membuktikan bahwa suatu material memang merupakan isolator topologis.
Perilaku sempurna
Para peneliti menempatkan film tipis samarium hexaboride di atas senyawa lain yang, pada suhu rendah, menjadi superkonduktor — bahan yang dapat menghantarkan listrik tanpa perlawanan. Ketika mereka mendinginkan semuanya hingga hanya beberapa derajat di atas nol mutlak (–273,15° C), material kedua menjadi superkonduktor dan, melalui kedekatannya, begitu pula permukaan logam dari samarium hexaboride. Para ilmuwan kemudian menyentuh ujung logam kecil ke permukaan samarium hexaboride dan mempelajari bagaimana elektron masuk ke materi kedua.
Pada setiap batas antara logam dan superkonduktor, jenis pantulan khusus yang disebut pantulan Andreev terjadi, yang berasal dari kenyataan bahwa elektron dalam superkonduktor hanya berpasangan. Seperti dua orang dalam ras berkaki tiga, ketika satu elektron melompat dari logam ke superkonduktor, ia harus membawa "teman" dengannya. Karena muatan harus seimbang dalam sistem, bagaimanapun, "lubang" bermuatan positif - pada dasarnya, tidak adanya elektron di mana seharusnya ada satu - harus melompat kembali dari superkonduktor ke logam.
Para peneliti menghitung pergerakan elektron dan "lubang" dengan mengukur konduktansi sistem. Jika setiap elektron yang mencoba melompat ke superkonduktor berhasil, konduktansi akan berlipat ganda. Namun, ini biasanya tidak terjadi, karena dalam kebanyakan kasus, beberapa elektron tidak memiliki energi yang cukup untuk melakukan lompatan. Elektron yang kurang energik memantulkan batas antara logam dan superkonduktor, membuat konduktansi sistem lebih dari 100 persen tetapi kurang dari dua kali lipat.
Yang mengejutkan para peneliti, konduktansi berlipat ganda terjadi dalam eksperimen samarium hexaboride mereka. Tim mendekati Victor Galitski, seorang ahli fisika teoritis di University of Maryland, dengan hasil yang aneh, yang bertahan pada percobaan berulang. Dia menyarankan bahwa tunneling Klein memungkinkan semua elektron untuk menggali melalui antarmuka fisik antara kedua bahan. Hukum konservasi lain yang berkaitan dengan perputaran elektron mencegah elektron yang tidak memiliki energi untuk melompati penghalang untuk kembali ke tempat asalnya, sehingga mereka "harus menerobos," katanya, yang mengarah pada konduktansi berlipat ganda sempurna.
"Hasil yang menarik ini secara eksperimental menunjukkan refleksi Andreev sempurna antara kontak titik normal" - ujung logam kecil— "dan superkonduktor yang diinduksi oleh kedekatan dalam isolator topologi, samarium hexaboride," kata Nadgorny. "Studi ini menghubungkan hasil yang tak terduga dan elegan ini dengan tidak adanya hamburan [elektron] normal, salah satu manifestasi kunci dari terowongan Klein," tambahnya.
Sekarang para peneliti telah menunjukkan quirk kuantum ini, mereka berharap dapat menggunakan temuan mereka untuk meningkatkan komponen komputer konvensional atau bahkan membuat bahan untuk perangkat kuantum di masa depan, kata Paglione. Memanfaatkan kekuatan tunneling elektron dapat membantu merancang "transistor sempurna" atau bahkan memecahkan masalah dengan persimpangan di komputer kuantum, katanya. Namun Klapwijk memperingatkan bahwa "rute ke aplikasi jauh lebih kompleks" daripada yang sering muncul.
Sumber: scientificamerican.com
Komentar
Posting Komentar