Termometer kuantum untuk mengukur suhu terdingin di alam semesta – Sains Terkini

Fisikawan dari Trinity College Dublin telah mengusulkan termometer berdasarkan keterjeratan kuantum yang secara akurat dapat mengukur suhu satu miliar kali lebih dingin daripada suhu di luar angkasa.

Suhu ultra-dingin ini muncul di awan atom, yang dikenal sebagai gas Fermi, yang diciptakan oleh para ilmuwan untuk mempelajari bagaimana materi berperilaku dalam keadaan kuantum yang ekstrim.

Pekerjaan ini dipimpin oleh tim QuSys di Trinity dengan rekan postdoctoral, Dr Mark Mitchison, Dr Giacomo Guarnieri dan Profesor John Goold, bekerja sama dengan Profesor Steve Campbell (UCD) dan Dr Thomas Fogarty dan Profesor Thomas Busch yang bekerja di OIST, Okinawa, Jepang .

Saat mendiskusikan proposal tersebut, Profesor Goold, kepala grup QuSys Trinity, menjelaskan apa itu gas ultra-dingin. Dia berkata:

“Cara standar fisikawan dalam berpikir tentang gas adalah dengan menggunakan teori yang dikenal sebagai mekanika statistik. Teori ini ditemukan oleh raksasa fisika seperti Maxwell dan Boltzmann pada abad ke-19. Orang-orang ini menghidupkan kembali gagasan lama dari para filsuf Yunani. bahwa fenomena makroskopis, seperti tekanan dan suhu, dapat dipahami dalam istilah gerakan mikroskopis atom. Kita perlu ingat bahwa pada saat itu, gagasan bahwa materi terbuat dari atom adalah revolusioner. “


“Pada awal abad ke-20, teori lain mulai membuahkan hasil. Ini adalah mekanika kuantum dan mungkin teori paling penting dan akurat yang kita miliki dalam fisika. Prediksi terkenal dari mekanika kuantum adalah bahwa atom tunggal memperoleh fitur seperti gelombang, yang berarti bahwa di bawah suhu kritis mereka dapat bergabung dengan atom lain menjadi gelombang makroskopis tunggal dengan sifat eksotis. Prediksi ini mengarah pada pencarian eksperimental selama seabad untuk mencapai suhu kritis. Sukses akhirnya dicapai pada tahun 90-an dengan penciptaan gas ultra-dingin pertama, didinginkan dengan laser (Hadiah Nobel 1997) dan terperangkap dengan medan magnet yang kuat – suatu prestasi yang memenangkan Hadiah Nobel pada 2001. “

“Gas ultra-dingin seperti ini sekarang secara rutin dibuat di laboratorium di seluruh dunia dan memiliki banyak kegunaan, mulai dari menguji teori fisika dasar hingga mendeteksi gelombang gravitasi. Tetapi suhunya sangat rendah pada nanokelvin dan di bawahnya! Hanya untuk memberi Anda gambaran , satu kelvin adalah -271,15 derajat Celcius. Gas-gas ini satu miliar kali lebih dingin dari itu – tempat terdingin di alam semesta dan mereka diciptakan di sini, di Bumi. “

Jadi apa sebenarnya gas Fermi itu?

“Semua partikel di alam semesta, termasuk atom, datang dalam salah satu dari dua jenis yang disebut ‘boson’ dan ‘fermion’. Gas Fermi terdiri dari fermion, dinamai menurut nama fisikawan Enrico Fermi. Pada suhu yang sangat rendah, boson dan fermion berperilaku sangat berbeda. Sementara boson suka menggumpal, fermion melakukan hal sebaliknya. Mereka adalah jarak sosial tertinggi! Sifat ini sebenarnya membuat suhu mereka sulit diukur. “

Dr Mark Mitchison, penulis pertama makalah ini, menjelaskan:

“Secara tradisional, suhu gas ultra-dingin disimpulkan dari kepadatannya: pada suhu yang lebih rendah atom tidak memiliki cukup energi untuk menyebar jauh, membuat gas lebih padat. Tetapi fermion selalu menjauh, bahkan pada suhu yang sangat rendah. , jadi pada titik tertentu kerapatan gas Fermi tidak memberi tahu Anda tentang suhu. “

“Sebaliknya, kami mengusulkan menggunakan jenis atom yang berbeda sebagai probe. Misalkan Anda memiliki gas ultra-dingin yang terbuat dari atom litium. Anda sekarang mengambil atom yang berbeda, misalnya kalium, dan mencelupkannya ke dalam gas. Bertabrakan dengan atom litium. atom di sekitarnya mengubah keadaan probe kalium Anda dan ini memungkinkan Anda menyimpulkan suhu. Secara teknis, proposal kami melibatkan pembuatan superposisi kuantum: keadaan aneh di mana atom probe secara bersamaan melakukan dan tidak berinteraksi dengan gas. Kami menunjukkan bahwa ini superposisi berubah dari waktu ke waktu dengan cara yang sangat sensitif terhadap suhu. “

Dr Giacomo Guarnieri memberikan analogi sebagai berikut:


“Termometer hanyalah sebuah sistem yang sifat fisiknya berubah dengan suhu dengan cara yang dapat diprediksi. Misalnya, Anda dapat mengukur suhu tubuh Anda dengan mengukur pemuaian merkuri dalam tabung kaca. Termometer kami bekerja dengan cara yang analog, tetapi sebaliknya merkuri kami mengukur keadaan atom tunggal yang terjerat (atau berkorelasi) dengan gas kuantum. “

Profesor Steve Campbell, UCD, berkomentar:

“Ini bukan hanya ide yang sangat jauh – apa yang kami usulkan di sini sebenarnya dapat diimplementasikan menggunakan teknologi yang tersedia di laboratorium fisika atom modern. Bahwa fisika fundamental seperti itu dapat diuji sungguh menakjubkan. Di antara berbagai teknologi kuantum yang muncul, kuantum sensor seperti termometer kami cenderung memberikan dampak paling cepat, jadi ini adalah pekerjaan tepat waktu dan disorot oleh editor Surat Review Fisik untuk alasan itu.”

Profesor Goold menambahkan:

“Faktanya salah satu alasan makalah ini disorot justru karena kami melakukan perhitungan dan simulasi numerik dengan fokus khusus pada eksperimen yang dilakukan di Austria dan diterbitkan beberapa tahun lalu di Science. Di sini gas Fermi adalah gas encer. dari atom Lithium yang terperangkap yang bersentuhan dengan pengotor Kalium. Para eksperimentalis mampu mengontrol keadaan kuantum dengan pulsa frekuensi radio dan mengukur informasi tentang gas. Ini adalah operasi yang secara rutin digunakan dalam teknologi kuantum lainnya. “

“Skala waktu yang dapat diakses sangat menakjubkan dan tidak akan pernah terjadi sebelumnya dalam eksperimen fisika benda terkondensasi tradisional. Kami sangat senang bahwa ide kami untuk menggunakan pengotor ini sebagai termometer kuantum dengan presisi yang sangat baik dapat diimplementasikan dan diuji dengan teknologi yang ada.”

Profesor Goold dan kelompok penelitian QuSys-nya didukung oleh Science Foundation Ireland. Dia adalah penerima Royal Society University Research Fellowship dan European Research Council Starting Grant. Dia baru-baru ini terpilih sebagai Anggota Akademi Muda Eropa.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.