BAGIKAN
(Jonas Ahlstedt/Lund University Bioimaging Centre) 
(Jonas Ahlstedt/Lund University Bioimaging Centre) 

Transisi fase menggambarkan perubahan dramatis pada sifat sistem makroskopis – seperti transisi dari cairan ke gas. Berapa partikel yang dibutuhkan agar atom-atom individual mulai berperilaku secara kolektif? Menurut hasil penelitian terbaru yang telah dipublikasikan dalam jurnal Nature, jumlah partikel yang dibutuhkan sangat sedikit. Sedikitnya 6 atom saja akan mulai bertransisi ke dalam sistem makroskopis (sistem dalam skala besar yang dapat terukur), dalam kondisi yang tepat.

Dengan menggunakan perangkap laser ultra-dingin yang didesain secara khusus, para peneliti melakukan pengamatan proses transisi dari normal hingga fase superfluid – menunjukkan bagaimana cara mempelajari kemunculan perilaku kolektif atom dan batasan sistem makroskopik.

Kemudian, satu tim peneliti dari University of Heidelberg mendesain sebuah eksperimen untuk mengetahuinya.

Eksperimen tersebut meliputi sinar laser yang terfokus yang berperan sebagai perangkap bagi atom-atom ultra-dingin dari isotop lithium yang stabil, yang disebut dengan lithium-6. Dan ketika didinginkan di dalam gas pada suhu sepersekian derajat diatas nol mutlak, isotop fermionik ini dapat berperilaku sebagai superfluid dengan kekentalan nol.

Di dalam perangkap laser, sejumlah kecil atom litium akan tertahan dan secara efektif berperan sebagai simulator bagi perilaku kuantum. Di dalam sistem ini, tim dapat mengatur interaksi antar atom dengan menggunakan resonansi Feshbach.

Resonansi ini akan terbentuk ketika energi yang dihasilkan oleh interaksi dua atom beresonansi dalam sebuah ikatan molekuler, dan kemudian dapat digunakan untuk merubah kekuatan interaksi antara partikel-partikel.

Dalam setiap eksperimen, tim peneliti menggunakan dua, enam atau 12 atom lithium-6 pada perangkap laser, sehingga para peneliti dapat mengamati ketika atom-atom tersebut mulai berlaku secara kolektif.

“Disatu sisi, jumlah dari partikel di dalam sistem cukup kecil untuk dapat menggambarkan tentang sistem tersebut secara makroskopis,” kata pimpinan tim peneliti Luca Bayha. “Di sisi yang lain, efek kolektif telah berhasil terbuktikan.”

Ketika atom-atom telah berada di dalamnya, para peneliti menyetel perangkap laser, dari tarikan nol hingga tarikan yang paling kuat hingga atom-atom saling menyatu terikat berpasang-pasangan. Ini adalah persyaratan yang dibutuhkan untuk membentuk superfluid fermionik – partikel fermionik saling berikatan satu sama lain sebagai pasangan Cooper yang berlaku seperti boson, partikel yang lebih berat yang membentuk fase superfluid pada temperatur yang lebih tinggi daripada fermion.

Dalam teori kuantum mekanik, boson dan fermion adalah partikel dasar yang membentuk alam semesta. Keduanya berperilaku sangat berbeda satu dengan yang lainnya. Misalnya, boson dapat berbagi kondisi kuantum yang sama sementara partikel fermion yang sama jenisnya tidak dapat saling berbagi, tetapi masing-masing mengisi kondisi kuantumnya satu persatu.

Dalam setiap eksperimen, tim mempelajari kapan perilaku kolektif muncul berdasarkan jumlah partikel dan kekuatan interaksi antar partikel. Dan mereka menemukan bahwa ekstasi partikel tidak hanya berkaitan dengan kekuatan tarikan antara partikel, tetapi juga oleh beberapa prekursor dari transisi fase kuantum hingga membentuk superfluid pasangan Cooper.

“Yang mengejutkan dari hasil eksperimen kami adalah hanya dari enam atom saja menunjukkan semua karakteristik fase transisi yang biasanya terjadi pada banyak sistem partikel,” kata fisikawan Marvin Holten.

Tingkat kontrol yang berhasil diperoleh oleh para peneliti ini, menurut tim, akan bermanfaat di masa depan bagi penelitian lainnya, seperti dalam mempelajari proses normalisasi dalam sistem kuantum.

Mereka juga nantinya akan dapat melakukan penelitian terhadap superfluid fermionik pada tingkat fundamental dan menyelidiki kemunculan pasangan Cooper pada sistem yang lebih besar.