Fisikawan Membelah Atom Menggunakan Presisi Mekanika Kuantum

ara peneliti dari Universitas Bonn baru saja menunjukkan cara bagaimana atom tunggal dapat dibagi menjadi dua bagian, dipisahkan dan kemudian disatukan kembali. Meskipun kata “atom” secara harafiah berarti “tak dapat dibagi,” namun hukum mekanika kuantum memungkinkan atom dapat dibagi – mirip dengan sinar cahaya – dan menyatukannya kembali.
Hasilnya baru saja dipublikasikan dalam jurnal Proceeding of National Academy of Sciences.
Hukum mekanika kuantum memungkinkan objek berada dalam beberapa keadaan secara bersamaan. Inilah yang disebut sebagai celah-ganda, di mana sebuah partikel dapat melalui dua celah sekaligus. Para ilmuwan Bonn bekerja sama dengan Prof. Dr. Dieter Meschede dari Institut untuk Fisika Terapan Universitas Bonn, berhasil menjaga agar atom tunggal secara bersamaan tetap berada di dua tempat yang berjarak lebih dari sepuluh mikrometer, atau seperseratus milimeter, secara terpisah. Ini adalah jarak yang sangat besar untuk seukuran atom. Setelah itu, atom itu disatukan kembali tanpa ada kerusakan.

Atom berkepribadian ganda
Efek kuantum hanya dapat terjadi pada suhu terendah dan dengan penanganan yang cermat. Salah satu metodenya adalah pendinginan atom caesium dengan menggunakan laser, dan kemudian menahannya dengan laser lain. Sinar laser inilah yang menjadi kunci untuk membelah atom. Hal ini bisa dilakukan karena atom memiliki putaran yang bisa masuk ke dalam dua arah. Tergantung pada arahnya, atom bisa dipindahkan ke kanan atau ke kiri dengan laser. Kuncinya adalah putaran atom yang bisa masuk ke kedua arah secara bersamaan. Jadi, jika atom tersebut dipindahkan ke kanan dan kiri pada saat yang sama, maka ia akan terbelah. “Atom memiliki semacam kepribadian ganda, setengah darinya adalah ke sebelah kanan, dan setengahnya ke sebelah kiri, namun tetap utuh,” jelas Andreas Steffen, penulis utama dalam makalah.

Maximilian Genske, Noomen Belmechri, Andreas Steffen dan Dr. Andrea Alberti dalam laboratorium. (Kredit: Barbara Frommann/Uni Bonn)

Bagian-bagian yang membandingkan “pengalaman” mereka
Tapi Anda tidak bisa melihat langsung pembelahannya; jika Anda menyinari atom untuk mengambil gambarnya, maka pembelahan ini akan runtuh dengan segera. Atom kemudian bisa dilihat pada beberapa gambar, terkadang di sebelah kiri, terkadang di sebelah kanan - tapi tidak pernah di kedua tempat. Bagaimanapun juga, pembelahan ini bisa dibuktikan dengan menyatukan kembali atom tersebut. Dengan demikian, sebuah interferometer dapat dibangun dari atom, yang misalnya, bisa digunakan untuk mengukur dampak eksternal secara tepat. Di sini, atom dibagi, bergerak terpisah dan bergabung lagi. Apa yang kemudian bisa terlihat, misalnya, adalah perbedaan antara medan magnet dari dua posisi atau akselerasi sejak keduanya tercetak dalam keadaan mekanika kuantum. Prinsip ini telah digunakan untuk mensurvei dengan sangat tepat gaya seperti percepatan bumi.
Sistem kuantum sebagai alat?
Para ilmuwan Bonn, bagaimanapun juga, mencari sesuatu yang lain, yaitu mensimulasikan sistem kuantum yang kompleks. Banyak fisikawan telah lama berharap untuk mampu mensimulasikan apa yang disebut sebagai isolator topologi atau fotosintesis tanaman – fenomena yang sulit untuk ditangkap dengan komputer-komputer super modern – dengan menggunakan sistem kecil kuantum. Langkah pertama dalam perjalanan ke simulator bisa terdiri dari pemodelan pergerakan elektron dalam tubuh yang padat, sehingga memperoleh wawasan untuk perangkat elektronik yang inovatif. Contoh untuk hal ini adalah gerak Dirac elektron pada lapisan grafik tunggal atau munculnya molekul buatan dari partikel-partikel yang berinteraksi. Namun untuk tujuan yang satu ini, atom tidak saja harus dikendalikan dengan baik, tetapi juga dihubungkan berdasarkan hukum mekanika kuantum karena inti dari materi terletak persis di dalam sebuah struktur yang terdiri dari banyak objek kuantum.
Sebuah roda dalam gearbox
“Bagi kami, atom adalah roda penggerak yang terkendali dengan baik dan lancar,” kata Dr. Andrea Alberti, yang memimpin tim riset untuk percobaan Bonn. “Anda dapat membuat sebuah kalkulator dengan kinerja yang luar biasa dengan menggunakan roda-roda, namun agar kalkulator ini bekerja, semua roda itu harus terlibat.” Di sinilah letak signifikansi sebenarnya dari atom yang terbelah: Karena kedua bagiannya disatukan kembali, mereka dapat melakukan kontak dengan atom yang berdekatan dengan kiri maupun kanan dan kemudian berbagi. Hal ini memungkinkan jaringan kecil atom-atom ke bentuk yang bisa digunakan – seperti dalam memori komputer – untuk mensimulasi dan mengontrol sistem yang nyata, yang akan membuat rahasia mereka lebih mudah diakses. Para ilmuwan yakin bahwa seluruh potensi untuk mengontrol sebuah atom akan menjadi jelas dari waktu ke waktu.
Kredit: Universitas Bonn
Jurnal: A. Steffen, A. Alberti, W. Alt, N. Belmechri, S. Hild, M. Karski, A. Widera, D. Meschede. Digital atom interferometer with single particle control on a discretized space-time geometry. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012