Anehnya Fenomena Kuantum Di Luar Orbit

Di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), para astronot tidak memiliki bobot. Atom juga demikian.

Tanpa bobot itu membuatnya lebih mudah untuk mempelajari keadaan kuantum aneh dari materi yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein. Kondensat Bose-Einstein sendiri pertama yang dibuat di stasiun ruang angkasa dilaporkan di Nature 11 Juni.

Kemampuan untuk mempelajari keadaan aneh materi di orbit akan membantu pemahaman para ilmuwan tentang fisika fundamental serta memungkinkan pengukuran kuantum baru yang lebih sensitif, kata Lisa Wörner dari Institut Teknologi Dirgantara Pusat Dirgantara Jerman Teknologi Quantum di Bremen. “Saya tidak bisa melebih-lebihkan pentingnya percobaan ini kepada masyarakat,” katanya.

Kondensat Bose-Einstein terjadi ketika beberapa jenis atom didinginkan hingga mencapai suhu rendah sehingga mereka memiliki satu keadaan terpadu. "Seolah-olah mereka bergabung bersama dan berperilaku sebagai satu objek yang harmonis," kata fisikawan David Aveline dari NASA Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, California. Untuk menghasilkan keadaan materi yang aneh di orbit, ia dan rekannya menciptakan Cold Atom Lab, yang dipasang di stasiun ruang angkasa pada tahun 2018.

Di orbit, atom-atom akan jatuh bebas karena gravitasi, terus-menerus jatuh di bawah gaya gravitasi, menghasilkan bobot seperti yang dirasakan oleh pengendara roller coaster tiba-tiba turun. Kondisi-kondisi tersebut, yang dikenal sebagai gaya berat mikro, maka dari itu, menjadikan stasiun ruang angkasa sebgaia lingkungan yang ideal untuk mempelajari kondensat Bose-Einstein adalah masuk akal.

Untuk membuat kondensat Bose-Einstein, atom harus didinginkan saat terjebak dengan medan magnet. Di Bumi, jebakan harus cukup kuat untuk menopang atom melawan gravitasi. Karena itu bukan masalah dalam gaya berat mikro, jebakan dapat melemah, memungkinkan awan atom mengembang dan mendingin. Proses ini memungkinkan kondensat mencapai suhu yang lebih rendah daripada yang mungkin terjadi dengan metode yang sama di Bumi. Di Cold Atom Lab, atom rubidium mencapai sepersepuluh milyar kelvin.

Kondensat Bose-Einstein sudah menjadi pemegang rekor suhu terendah yang diketahui (SN: 4/13/15). Dengan perbaikan lebih lanjut pada teknik pendinginan, para ilmuwan berharap bahwa Cold Atom Lab bisa menjadi lebih dingin, hingga suhu di bawah yang diketahui di alam semesta.

Keuntungan lain dari gaya berat mikro adalah bahwa pengukuran materi aneh dapat dilakukan untuk periode waktu yang lebih lama. Biasanya, atom dilepaskan dari perangkap dan kemudian dicitrakan dengan cepat sebelum gravitasi menariknya keluar dari pandangan. Tetapi dalam gaya berat mikro, para peneliti menemukan bahwa mereka dapat mengamati atom yang dilepaskan selama 1,1 detik. Di Bumi, teknik yang sama menghasilkan waktu pengamatan sekitar 40 milidetik.

Waktu pengamatan yang lebih lama dapat memungkinkan pengukuran yang lebih sensitif. Atom-atom dapat digunakan untuk mendeteksi kekuatan, termasuk bagaimana gravitasi bumi bervariasi dari waktu ke waktu dan di berbagai bagian planet ini. Eksperimen masa depan pada satelit khusus dapat membuat pengukuran fenomena baru dan lebih sensitif seperti kenaikan permukaan laut.

Dan materi kuantum juga dapat digunakan untuk menguji prinsip-prinsip dasar fisika, seperti prinsip kesetaraan Einstein (SN: 12/4/17). Itulah gagasan bahwa benda-benda dari massa atau komposisi yang berbeda - atau dalam hal ini, berbagai jenis atom - akan jatuh karena gravitasi pada kecepatan yang sama.

Eksperimen sebelumnya telah mempelajari kondensat Bose-Einstein pada tembakan roket ke luar angkasa yang dengan cepat jatuh kembali ke Bumi dan di sebuah menara yang meluncurkan peralatan ke atas dan membiarkannya jatuh kembali. Tetapi durasi singkat dari penerbangan semacam itu membatasi berapa banyak percobaan dapat dilakukan.

"Ini tentu saja merupakan keuntungan besar" dari stasiun luar angkasa, kata fisikawan Maike Lachmann dari Leibniz University Hannover di Jerman, yang ikut menulis artikel perspektif yang muncul dalam edisi yang sama dari Nature. Dengan sekitar dua tahun sudah masuk di stasiun ruang angkasa, Lab Cold Atom telah punya banyak waktu untuk eksperimen. "Mereka dapat melakukan hal-hal yang sangat, sangat menarik," kata Lachmann.