Terobosan Kuantum: Penemuan Keadaan Materi Baru di Laboratorium

Saat kita membicarakan aliran listrik, sering kali kita membayangkan elektron bergerak seperti air yang mengalir di dalam pipa. Namun, kenyataannya adalah elektron bergerak sendiri-sendiri dan tidak membentuk aliran koheren seperti air. Hal ini sangat berbeda dengan perilaku molekul air yang saling bertumbukan dan mempertahankan gerak kolektif mereka. Sejak tahun 1963, ilmuwan bernama Radii Gurzhi memprediksi bahwa jika elektron bisa berinteraksi dan bertumbukan satu sama lain sehingga momentum mereka terjaga, mereka dapat berperilaku seperti cairan. Efek ini, yang dikenal sebagai efek Gurzhi, menunjukkan bahwa panas bisa meningkatkan aliran elektron, berbeda dengan aliran listrik biasa yang tahanan kawatnya meningkat saat suhu naik. Kelahiran graphene pada tahun 2004 oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov membuka peluang untuk menguji teori ini dalam kondisi material yang hampir sempurna tanpa banyak kotoran dan gangguan. Eksperimen awal di tahun 2017 menunjukkan bukti konkret efek Gurzhi di graphene, di mana resistansi turun saat suhu meningkat. Eksperimen terkini bahkan lebih mengesankan: peneliti berhasil membentuk nozzle khusus dari graphene yang mampu mempercepat elektron hingga melebihi kecepatan gelombang suara dalam fluida elektron. Akibatnya, terbentuklah gelombang kejut serupa sonic boom pada pesawat, yang menjadi tanda bahwa elektron dapat beraliran seperti fluida supersonik. Penemuan ini tidak hanya membuka cara baru dalam memahami elektron dan perilaku kuantum, tetapi juga berpotensi mengubah desain komponen elektronik dengan memanfaatkan bentuk saluran untuk memanipulasi arus elektron. Masa depan elektronika mungkin akan memanfaatkan konsep fluida elektron untuk perangkat lebih efisien dan kuat.

Para ilmuwan berhasil mengamati transisi fase yang belum pernah terjadi sebelumnya, dari superfluid menjadi supersolid dan kembali lagi, pada partikel yang disebut eksiton. Eksiton adalah kombinasi antara elektron dan lubang elektron yang ada pada material tertentu. Superfluid adalah fase materi yang dapat mengalir tanpa hambatan atau gesekan, dan biasanya terjadi pada suhu sangat rendah, mendekati nol mutlak. Sedangkan supersolid adalah fase materi yang memiliki kemampuan aliran superfluid, namun juga memiliki struktur kristal padat seperti padatan biasa. Studi ini menggunakan dua lapisan grafena yang sangat tipis, ditempatkan sangat berdekatan sambil dikenakan medan magnet kuat dan suhu sangat dingin. Pada suhu tertentu, eksiton membentuk superfluid, dan saat suhu diturunkan lebih jauh, mereka membentuk fase yang diduga adalah supersolid. Sebelumnya, untuk membuat supersolid dibutuhkan perlakuan khusus dengan alat tambahan agar partikel dapat berbaris rapi secara teratur. Namun kali ini, perubahan fase terjadi secara alami seperti layaknya air yang membeku menjadi es, dan bisa kembali mencair. Penemuan ini penting karena membuka pemahaman baru terhadap perilaku materi pada suhu ekstrem, dan bisa menjadi dasar bagi pengembangan teknologi materi kuantum di masa depan, termasuk kemungkinan penciptaan material dengan sifat superkonduktif atau perangkat kuantum canggih.

Para fisikawan baru-baru ini berhasil menempatkan nanopartikel yang terdiri dari 7.000 atom natrium ke dalam keadaan kuantum yang disebut superposisi. Eksperimen ini menguji batasan fisika kuantum dengan objek yang jauh lebih besar daripada partikel yang biasa digunakan seperti elektron dan foton. Dalam eksperimen ini, tim membuat sinar nanopartikel natrium dan menembakkannya ke celah sempit. Jika nanopartikel tersebut menunjukkan sifat gelombang, maka akan terbentuk pola interferensi pada detektor, membuktikan bahwa mereka berada dalam superposisi kuantum. Selama dua tahun, tim terus mendapatkan hasil negatif berupa garis datar pada detektor yang menunjukkan tidak ada pola interferensi. Namun akhirnya, mereka berhasil merekam pola interferensi yang jelas, menandai bahwa nanopartikel natrium berperilaku sebagai gelombang dan partikel sekaligus. Penelitian ini mencatat nilai 'macroscopicity' tertinggi yaitu 15,5 yang mengukur sejauh mana objek kuantum bisa mendekati dunia makroskopis. Ini adalah pencapaian penting dalam fisika kuantum yang mengurangi batasan yang sebelumnya ada antara dua dunia tersebut. Penemuan ini membuka kemungkinan eksperimen di masa depan untuk mengamati molekul biologis besar seperti virus dan protein dalam keadaan kuantum. Hal ini dapat membawa inovasi dalam fisika kuantum serta ilmu biologi dan teknologi masa depan.