Ilmuwan telah menemukan keadaan materi kuantum baru yang menghubungkan dua area fisika yang signifikan, yang berpotensi mengarah pada kemajuan dalam komputasi, penginderaan, dan ilmu material. Sebuah studi yang dipublikasikan di Jurnal Fisika Alam pada 14 Januari, yang dipimpin oleh Qimiao Si dari Universitas Rice, menggabungkan kritisitas kuantum, di mana elektron berfluktuasi antara berbagai fase, dan topologi elektronik, yang menggambarkan bentuk organisasi kuantum berdasarkan perilaku gelombang elektron. Para peneliti menemukan bahwa interaksi kuat di antara elektron dapat menghasilkan perilaku topologis, membuka jalan bagi teknologi baru yang bisa menggunakan keadaan kuantum ini dalam aplikasi dunia nyata.
“Ini adalah langkah fundamental ke depan,” kata Si, Profesor Fisika dan Astronomi Harry C. dan Olga K. Wiess dan direktur Aliansi Bahan Kuantum Ekstrim Rice. “Penelitian kami menunjukkan bahwa efek kuantum yang kuat dapat berkombinasi untuk menciptakan sesuatu yang benar-benar baru, yang mungkin membentuk masa depan sains kuantum.”
Tim peneliti mengembangkan model teoretis yang memprediksi bagaimana elektron berperilaku ketika tunduk pada interaksi kuat dan efek topologis. Kritisitas kuantum biasanya melibatkan elektron yang berfluktuasi antara berbagai keadaan terurut, mirip dengan air yang hampir membeku atau mendidih. Sementara itu, topologi berkaitan dengan “putaran” stabil dalam sifat gelombang elektron, yang tetap ada bahkan saat struktur material berubah.
Secara tradisional, fenomena kuantum ini biasanya diteliti secara terpisah. Topologi diamati dalam materi dengan interaksi elektron yang lemah, sementara kritisitas kuantum dominan dalam sistem dengan elektron terkait secara kuat. Tim peneliti bertujuan untuk menantang pemisahan ini yang telah berlangsung lama.
“Dengan menggabungkan bidang ini, kami menjelajahi wilayah yang belum dipetakan,” kata Lei Chen, salah satu penulis studi dan mahasiswa pascasarjana di Rice. “Kami terkejut menemukan bahwa kritisitas kuantum itu sendiri dapat menghasilkan perilaku topologis, terutama dalam konteks dengan interaksi yang kuat.”
Studi ini tidak berhenti pada tingkat teoretis. Peneliti eksperimental di Universitas Teknologi Vienna, yang dipimpin oleh Silke Paschen, co-pemimpin studi itu, mengamati perilaku dalam materi fermion berat yang sejalan dengan prediksi teoretis yang dibuat oleh tim peneliti. Materi ini terdiri dari elektron yang berprilaku seolah-olah mereka jauh lebih berat karena interaksi, menunjukkan tanda-tanda keadaan kuantum topologis baru.
Implikasi untuk teknologi kuantum
Hubungan antara kritisitas kuantum dan topologi bisa mengubah teknologi kuantum dengan mengembangkan perangkat yang tahan lama dan sangat sensitif, kualitas yang penting untuk komputasi, penginderaan, dan elektronika berdaya rendah. Materi topologis tahan terhadap gangguan, sementara kritisitas kuantum meningkatkan keterjeratan, menjadikan keadaan hibrida ini sangat berharga untuk mengelola perilaku kuantum. Kedua efek ini terkait dengan fenomena seperti superkonduktivitas dan kepekaan ekstrem terhadap sinyal eksternal.
Penemuan ini membuka jalan baru dalam desain bahan kuantum dengan dampak teknologis yang signifikan.
“Temuan ini menjangkau kesenjangan dalam fisika materi kondensat dengan mendemonstrasikan bahwa interaksi elektron yang kuat dapat menghasilkan keadaan topologis daripada menghancurkannya,” kata Si. “Selain itu, mereka mengungkapkan keadaan kuantum baru dengan signifikansi praktis yang besar.”
Memetakan jalur baru dalam ilmu material
Penemuan ini memberikan peta jalan untuk mengidentifikasi atau merancang bahan-bahan baru yang mencakup sifat kuantum ini. Pendekatan tim peneliti menyarankan mencari bahan yang berada pada titik kritis kuantum yang juga memiliki potensi struktur topologis.
Saat para peneliti menyelami lebih dalam ke dalam keadaan materi baru ini, mereka mengatakan bahwa mereka berharap bisa mengungkap lebih banyak perilaku kuantum yang tidak biasa. Kemampuan untuk menggabungkan kritisitas kuantum dan topologi bisa mengubah cara ilmuwan mendekati desain dan aplikasi kuantum.
“Mengetahui apa yang harus dicari memungkinkan kita untuk mengeksplorasi fenomena ini lebih sistematis,” kata Si. “Ini bukan hanya wawasan teoretis, ini langkah menuju pengembangan teknologi nyata yang memanfaatkan prinsip-prinsip terdalam fisika kuantum.”
Penulis sesuai studi meliputi H. Hu dari Rice; D.M. Kirschbaum, D.A. Zocco, F. Mazza, M. Karlich, M. Luˇznik, D.H. Nguyen, A. Prokofiev, X. Yan dan J. Larrea Jimenez dari Universitas Teknologi Vienna; A. M. Strydom dari Universitas Johannesburg; dan D. Adroja dari Laboratorium Rutherford Appleton.
Studi ini didukung oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, National Science Foundation, Yayasan Welch Robert A. dan Fellowship Fakultas Vannevar Bush.
/Rilis Publik. Materi ini dari organisasi/penulis asal mungkin bersifat sementara, dan diedit untuk kejelasan, gaya, dan panjang. Mirage.News tidak memihak atau memihak pada posisi institusi, dan semua pandangan, posisi, dan kesimpulan yang diungkapkan di sini semata-mata milik penulis. Lihat selengkapnya di sini.
