Kemajuan Terkini dalam Fisika dan Material Kuantum

Para ilmuwan di Los Alamos National Laboratory dan University of New Mexico telah memperkenalkan sebuah framework AI bernama THOR yang dapat menyelesaikan salah satu perhitungan paling sulit di fisika, yaitu integral konfigurasi. Integral ini sangat penting karena menggambarkan bagaimana partikel berinteraksi dalam material, menentukan kekuatan dan stabilitas material di bawah kondisi ekstrim. THOR AI menggunakan metode tensor-network yang inovatif untuk mengatasi 'kutukan dimensi' dalam perhitungan ini. Dengan cara memecah data besar menjadi bagian-bagian lebih kecil yang saling terhubung, algoritma ini dapat melakukan interpolasi yang efisien dan mempercepat perhitungan dari berminggu-minggu menjadi hitungan detik atau jam. Hasil pengujian dengan beberapa material seperti tembaga, argon, dan timah menunjukkan bahwa THOR mampu menghasilkan perhitungan yang sangat akurat dan sesuai dengan simulasi dinamika molekuler yang ada. Terutama pada timah, THOR bisa memetakan transisi fasa padat dengan sangat tepat dan dalam waktu yang jauh lebih singkat. Dengan kemajuan ini, penelitian tentang material menjadi lebih cepat dan efisien. Hal ini membawa harapan besar dalam pengembangan paduan baru, teknologi energi bersih, dan materi untuk kebutuhan industri seperti aerospace dan elektronik yang menuntut material berkualitas tinggi di kondisi ekstrim. Inovasi THOR AI tidak hanya membuka kemungkinan baru dalam ilmu material, tetapi juga dapat mengubah cara ilmuwan memecahkan masalah kompleks berdimensi tinggi di berbagai bidang lain. Kecepatan dan akurasinya memungkinkan eksplorasi ilmiah yang sebelumnya dianggap mustahil.

Para fisikawan dari Washington University telah menciptakan sensor kuantum inovatif yang bisa bertahan di kondisi tekanan ekstrem, lebih dari 30.000 kali tekanan atmosfer. Sensor ini terbuat dari lembar tipis boron nitrida yang sangat kuat dan memiliki kemampuan mengukur sifat magnetik, stres, dan temperatur pada level material paling kecil, yakni level kuantum. Teknologi sensor ini dibuat dengan menembakkan sinar neutron ke lembaran boron nitrida sehingga boron atom terlempar, meninggalkan tempat kosong yang langsung menangkap elektron. Elektron ini berubah spin-nya sesuai dengan kondisi sekitar, yang kemudian bisa dilacak untuk mengetahui sifat material tersebut. Sensor ini berbeda dengan teknologi sebelumnya yang menggunakan berlian. Berlian memiliki struktur tiga dimensi yang membuatnya sulit diletakkan sangat dekat dengan bahan uji. Sementara boron nitrida adalah bahan dua dimensi yang sangat tipis sehingga sensornya bisa lebih dekat dengan material yang diukur, meningkatkan akurasi dan sensitivitas. Dalam eksperimen, sampel material ditekan menggunakan diamond anvils, yaitu permukaan berlian kecil yang kuat. Fungsinya memberi tekanan tinggi pada sampel agar sensor bisa melihat perubahan magnetik kecil di material yang diuji. Hal ini memberi kemudahan dan presisi dalam penelitian berbagai bahan, termasuk batu dari inti bumi dan material superkonduktor. Para peneliti berharap teknologi sensor ini tidak hanya membantu memecahkan misteri tentang perilaku material di tekanan tinggi, tetapi juga dapat digunakan untuk memahami gempa bumi, fenomena astronomi, dan klaim kontroversial tentang superkonduktivitas pada suhu kamar. Kolaborasi antaruniversitas dimainkan peran penting dalam keberhasilan proyek ini.

Time crystal adalah bentuk materi baru yang menunjukkan pola berulang secara waktu, bukan ruang, sehingga bisa bergerak dengan ritme tertentu terus menerus. Awalnya, time crystal hanya dibuat dalam kondisi kuantum yang sangat rumit dan sulit diamati. Tahun 2025, para fisikawan di University of Colorado Boulder berhasil membuat time crystal yang besar dan bisa dilihat dengan mata telanjang menggunakan kristal cair dan cahaya biasa. Mereka memanfaatkan molekul kristal cair yang berbentuk batang dan mudah berputar saat terkena cahaya. Saat cahaya menyinari lapisan kristal cair yang diapit oleh dua pelat kaca berlapis dye fotosensitif, dye tersebut mengubah orientasi dan memicu molekul kristal cair untuk mulai bergerak berputar dalam pola gelombang. Pola ini terus berlangsung selama berjam-jam meskipun kondisi di sekitar berubah. Molekul-molekul tersebut membentuk riak-riak yang bisa terlihat sebagai garis terang dan gelap menggunakan mikroskop cahaya terpolarisasi. Ini menegaskan bahwa sistemnya berperilaku seperti time crystal dengan ritme sendiri yang tidak sinkron dengan gaya luar. Penemuan ini bukan hanya membuka cakrawala baru dalam pemahaman material lunak dan fisika waktu, tapi juga memiliki potensi untuk aplikasi praktis seperti alat keamanan anti-pemalsuan berskala makroskopik yang dapat diakses dengan mudah.

Kristal waktu adalah jenis materi unik yang menunjukkan pola yang berulang secara terus-menerus dalam waktu, mirip dengan kristal biasa yang pola berulangnya terlihat dalam ruang. Pada awalnya, kristal waktu hanya ditemukan pada sistem kuantum yang sangat kompleks dan hanya terlihat pada skala mikroskopis. Namun, sebuah tim fisikawan di University of Colorado Boulder berhasil membuat kristal waktu yang dapat dilihat dengan mata telanjang menggunakan cairan kristal dan cahaya biasa. Molekul cairan kristal memiliki bentuk batang dan sifat antara cair dan padat. Ketika cahaya mengenai molekul pewarna yang sensitif terhadap cahaya pada permukaan kaca yang membatasi cairan ini, molekul cairan kristal mulai berputar dan membentuk gelombang yang terus berlanjut selama berjam-jam. Pola ini memiliki irama yang tidak mengikuti gaya luar yang diterimanya, yang menyatakan bahwa itu memenuhi syarat sebagai kristal waktu. Proses terbentuknya pola ini mirip dengan efek domino, di mana perubahan orientasi beberapa molekul menggerakkan molekul lain sehingga membentuk gelombang yang bergerak di seluruh lapisan cairan kristal. Dengan menggunakan mikroskop cahaya terpolarisasi, para peneliti dapat melihat gelombang ini sebagai garis-garis terang dan gelap yang stabil dan berulang dalam waktu. Penemuan ini sangat penting karena kristal waktu sebelumnya hanya dibuat dalam sistem kuantum pada tingkat mikroskopis dan sulit diamati secara langsung. Kristal waktu yang dibuat dari cairan kristal ini berukuran milimeter hingga sentimeter, sehingga sangat mudah untuk diamati dan diteliti, membuka peluang baru untuk pemahaman yang lebih dalam dan aplikasi praktis seperti perangkat anti-pemalsuan. Ide kristal waktu pertama kali muncul pada tahun 2012 oleh Frank Wilczek, namun konsep mesin waktu abadi dalam keadaan istirahat ternyata secara matematis tidak mungkin. Meski demikian, tipe lain kristal waktu yang berada dalam sistem dinamis berhasil ditemukan, dan kini penemuan kristal waktu dari cairan kristal adalah bentuk terbaru yang semakin memperluas cakrawala penelitian materi dan fenomena fisika waktu.

Efek rumah kaca bekerja dengan cara molekul gas seperti karbon dioksida yang menangkap panas yang dipancarkan oleh Bumi setelah menerima sinar matahari. Meskipun gas ini hanya sebagian kecil dari udara, mereka berperan penting dalam mengatur suhu planet kita. Radiasi yang dipancarkan oleh objek tergantung pada suhunya. Bumi memancarkan radiasi inframerah yang memiliki gelombang panjang sementara matahari memancarkan gelombang yang lebih pendek dan lebih energik. Gas di atmosfer tertentu dapat menyerap radiasi inframerah ini dengan cara bergetar dan berputar molekulnya. Gas yang dapat menyerap radiasi inframerah harus memiliki ketidakseimbangan muatan yang memungkinkan interaksi dengan medan listrik dan magnetik dari gelombang radiasi. Gas seperti nitrogen dan oksigen, yang simetris dan seimbang muatannya, tidak bisa menyerap radiasi ini dan bukan merupakan gas rumah kaca. Karbon dioksida, meskipun biasanya molekulnya simetris, dapat mengalami getaran yang menyebabkan ketidakseimbangan sementara dan menyerap radiasi inframerah. Gas rumah kaca lainnya seperti metana, ozon, dan air juga memiliki kemampuan unik untuk berinteraksi dengan radiasi tersebut. Ketika jumlah gas rumah kaca bertambah, energi panas yang coba lepas dari Bumi harus menempuh jalan lebih panjang dan sulit sampai ke luar angkasa, sehingga suhu planet meningkat. Jika jumlah gas ini terus bertambah, pemanasan global akan berlangsung terus tanpa mencapai keseimbangan baru.

Para ilmuwan telah lama mempelajari proton, bagian penting dari atom yang terdiri dari quark dan gluon. Sebelumnya, mereka tahu banyak tentang proton saat berinteraksi dengan energi tinggi, tetapi masih ada banyak yang belum dipahami tentang bagaimana proton berperilaku pada energi lebih rendah, yang dikenal sebagai wilayah resonansi. Dalam penelitian terbaru yang dilakukan di Thomas Jefferson National Accelerator Facility, para ilmuwan menggunakan alat canggih bernama CLAS12 untuk mempelajari proton dengan lebih rinci. Eksperimen ini memanfaatkan sinar elektron yang diarahkan ke target hidrogen untuk mengamati bagaimana proton bereaksi melalui interaksi foton virtual. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa keadaan tereksitasi atau resonansi pada proton ternyata tetap terlihat meskipun momentum yang ditransfer sangat tinggi, menentang ekspektasi lama yang mengatakan bahwa resonansi akan hilang pada energi tinggi. Temuan ini memungkinkan para peneliti melihat evolusi struktur proton dari kondisi kuark dan gluon yang sangat terikat hingga kondisi yang lebih lemah. Penemuan penting ini memberikan manfaat besar bagi teori fisika dasar, khususnya Quantum Chromodynamics (QCD), yang merupakan teori yang menjelaskan kekuatan kuat antara quark dan gluon. Data baru ini dapat menguji dan memperbaiki prediksi QCD sehingga pemahaman tentang struktur materi di alam semesta semakin dalam. Pimpinan penelitian, Valerii Klimenko dan Kyungseon Joo, menegaskan bahwa dengan memahami proton, kita dapat memahami fondasi alam semesta secara lebih baik. Penelitian ini membuka jalan bagi studi lebih lanjut tentang partikel subatomik dan gaya-gaya fundamental yang membentuk dunia sekitar kita.