Nobel Fisika 2016: FENOMENA ASING DI JAGAD MATERI DATAR



Penghargaan Nobel dalam bidang fisika pada tahun 2016 ini diberikan kepada tiga fisikawan: David J. Thouless dari University of Washington, Seattle; F. Duncan M. Haldane dari Princeton University, serta J. Michael Kosterlitz, dari Brown University Providence. Penghargaan nobel diberikan atas penelitian mereka tentang sebuah dunia yang asing, yaitu dunia dimana materi muncul dengan keadaan yang aneh. Penemuan mereka telah membawa terobosan baru dalam pemahaman teoritis tentang misteri materi dan menghasilkan perspektif baru tentang pengembangan material inovatif.

Apa yang telah dilakukan oleh para ilmuwan ini sehingga diberi penghargaan paling bergengsi dalam dunia akademik ini?

David Thouless, Duncan Haldane, dan Michael Kosterlitz memanfaatkan metode matematika lanjut, dengan menggunakan konsep topologi, dalam menjelaskan fenomena aneh pada fase (keadaan) yang tidak lazim dari materi seperti superkonduktor, superfluida, atau pun lapisan magnetik tipis. Kosterlitz dan Thouless mempelajari fenomena yang muncul dalam sebuah dunia yang datar –yaitu pada bagian permukaan atau bagian paling dalam dari lapisan tipis yang dapat dianggap hanya memiliki dua dimensi. Sedangkan Haldane mempelajari materi yang berbentuk benang yang sangat tipis, sedemikian tipisnya sehingga dapat dianggap sebagai benda satu dimensi.

Hukum fisika dalam dunia datar seperti yang mereka teliti, sangat berbeda dengan apa yang kita sadari dari dunia di sekitar kita, yaitu dunia berdimensi ruang-3. Meskipun sangat tipis, materi yang terdistribusi dalam dunia itu tetap mengandung jutaan atom, dan meskipun tiap-tiap perilaku atom dapat dijelaskan dengan menggunakan fisika kuantum, atom-atom dalam dunia itu rupanya menunjukkan karakteristik yang sangat berbeda jika mereka bergabung. Sedikit demi sedikit, fenomena baru yang muncul akibat bergabungnya atom-atom ini ditemukan dalam jagat dunia datar tersebut.

Penggunaan konsep topologi dalam fisika yang telah dilakukan oleh ketiga pemenang nobel fisika tahun 2016 ini sangat berperan dalam temuan mereka. Topologi adalah salah satu cabang dari matematika yang menggambarkan karakteristik atau properti yang berubah secara bertahap. Dengan topologi modern sebagai alat, para nobelis fisika ini memberikan hasil yang mengejutkan, yang membuka bidang penelitian baru dan akan membawa pada lahirnya konsep-konsep baru yang penting dalam beberapa bidang fisika.

Fisika Kuantum Teramati pada Temperatur Rendah


Pada skala yang sangat renik, semua materi mengikuti hukum-hukum fisika kuantum. Gas, cairan, dan padatan adalah fase materi yang sudah kita kenali. Pada fase-fase materi ini, gejala kuantum tidak tampak oleh kita karena tertutupi oleh gerakan-gerakan atomik material yang bersifat acak. Tetapi pada kondisi yang sangat dingin, mendekati nilai nol mutlak, (-273 derajat selsius) materi akan membentuk fase baru yang asing dan berperilaku dengan cara yang tak terduga. Dalam kondisi ini, fenomena fisika kuantum, yang berlaku pada dunia sangat renik, yang awalnya tidak tampak tiba-tiba dapat terlihat.
Fase materi yang kita ketahui adalah gas, cair, dan padat.


Fase-fase materi yang sudah kita kenali, seperti padat, cair, dan gas, juga akan mengalami transisi dari satu fase ke fase lain jika terjadi perubahan temperatur. Sebagai contoh, transisi fase akan terjadi jika es, yang terdiri atas kristal-kristal yang tersusun secara teratur, dipanaskan dan mencair menjadi air, yang merupakan sebuah fase yang keteraturannya lebih rendah dibandingkan dengan es. Ketika kita melongok ke dalam dunia datar materi, dengan pengetahuan kita yang masih terbatas tentang dunia tersebut, kita akan menemukan adanya fase lain materi yang belum sepenuhnya kita jelajahi.

Banyak hal-hal yang aneh yang dapat terjadi pada kondisi temperatur rendah. Sebagai contoh, hambatan yang selalu dialami oleh semua partikel yang bergerak pada kondisi temperatur yang rendah akan tiba-tiba hilang. Misalnya pada apa yang dialami oleh aliran arus listrik yang tidak merasakan hambatan dalam bahan superkonduktor, atau saat sebuah vorteks (pusaran) dalam superfluida dapat berputar terus menerus tanpa mengalami penurunan laju.

Orang pertama yang mempelajari secara sistematis tentang superfluida ini adalah seorang Rusia bernama Pyotr Kapitsa pada tahun 1930. Kapitsa mendinginkan helium-4, yang dapat ditemukan di udara, pada temperatur -271 derajat selsius dan menemukan bahwa helium-4 ini bergerak ke atas di sepanjang sisi wadahnya. Dengan kata lain, helium-4 ini berperilaku seolah-olah superfluida yang viskositasnya tiba-tiba hilang. Atas fenomena aneh ini, Kapitsa kemudian dianugerahi nobel fisika pada tahun 1978. Semenjak itu beberapa jenis superfluida telah berhasil dibuat dalam laboratorium. Superfluida helium, lapisan tipis atau superkonduktor, lapisan tipis material magnetik dan benang nano konduktif elektris merupakan beberapa dari fase material baru yang sekarang ini sedang diteliti secara intensif.

Solusi oleh Pasangan Vorteks


Ads by Google

Para peneliti telah lama mempercayai bahwa fluktuasi termal akan menghancurkan semua tatanan dalam materi menjadi bentuk yang datar, dunia dimensi dua, bahkan pada temperatur nol mutlak. Jika tidak terdapat fase yang teratur, tidak akan ada transisi fase. Tetapi di awal tahun 1970-an, David Thouless dan Michael Kosterlitz yang bertemu di Birmingham, Inggris Raya, sama-sama tertantang untuk menemukan teori seperti yang yang telah berkembang sekarang. Mereka mempelajari dan menganalisis masalah transisi fase dalam dunia datar ini. Kolaborasi keduanya akhirnya menghasilkan sebuah teori yang memberikan pemahaman yang benar-benar baru tentang transisi fase. Bahkan pemahaman ini dianggap sebagai satu dari penemuan paling penting pada abad ke dua puluh ini dalam bidang fisika zat padat. Teori ini disebut transisi KT ( transisi Kosterlitz-Thouless) atau transisi BKT (huruf B untuk Vadim Berezinskii), mendiang fisikawan teoritis dari Moskow yang mengemukakan ide yang sama.

Transisi fase topologis bukanlah transisi fase biasa, seperti pada transisi fase antara es ke air. Dalam transisi fase topologis, yang berperan penting dalam proses ini adalah adanya vorteks (pusaran) kecil pada material datar. Pada temperatur yang rendah vorteks ini terjadi secara berpasangan. Saat temperatur dinaikkan, terjadilah transisi fase, yaitu vorteks-vorteks tersebut tiba-tiba bergerak saling menjauh satu sama lain dan mengarungi material secara acak.


Hal yang menakjubkan dari teori ini adalah teori ini rupanya dapat digunakan untuk jenis material yang berbeda-beda dalam dimensi yang rendah, dengan kata lain, transisi KT bersifat universal. Teori ini menjadi alat yang bermanfaat, tidak hanya dapat diterapkan dalam dunia materi zat padat, tetapi juga dalam bidang fisika lainnya, seperti fisika atomik atau mekanika statistik. Teori di balik transisi KT juga telah dikembangkan baik oleh pencetusnya maupun ahli fisika lainnya, serta juga telah terkonfirmasi secara eksperimen.

Lipatan Kuantum yang Misterius


Perkembangan eksperimental akhirnya menghasilkan sejumlah fase materi baru yang memerlukan penjelasan. Pada tahun 1980-an, David Thouless dan Duncan Haldane menyajikan landasan kerja teoritis baru yang menantang teori sebelumnya, yang salah satunya adalah teori mekanika kuantum untuk menentukan material apa yang dapat menghantarkan listrik. Teori ini awalnya dikembangkan pada tahun 1930-an, dan setelah beberapa dekade kemudian, bidang ini dianggap telah dipahami dengan baik.

Namun, tiba-tiba sebuah kejutan terjadi pada tahun 1983. David Thouless membuktikan bahwa gambaran tentang fase-fase materi sebelumnya belumlah lengkap, dan pada temperatur yang rendah dan medan magnetik yang kuat, dibutuhkan sebuah jenis teori yang baru dimana dalam teori tersebut konsep topologi adalah sesuatu yang penting. Pada waktu yang sama, Duncan Haldane juga sampai pada kesimpulan yang serupa, kesimpulan yang ttidak diharapkan, saat menganalisis rantai atomik magnetik. Hasil kerja mereka telah menjadi instrumen dalam rentetan pengembangan yang dramatis teori fase baru materi.

Fenomena misterius yang digambarkan oleh David Thouless secara teoritis, dengan menggunakan topologi, adalah efek Hall kuantum. Efek ini ditemukan oleh fisikawan Jerman Klaus von Klitzing pada tahun 1980, dan dianugerahi penghargaan nobel fisika pada tahun 1985. Thouless mempelajari lapisan konduksi tipis yang diapit oleh dua lapisan semikonduktor, dimana elektron didinginkan sampai beberapa derajat di atas nol mutlak dan diberi medan magnetik yang kuat.

Dalam fisika, bukanlah hal aneh jika terjadi sesuatu secara drastis saat temperatur diturunkan; misalnya, dalam kondisi temperatur yang rendah banyak material akan menjadi bersifat magnetik. Hal ini terjadi karena semua magnet-magnet atom kecil dalam material tiba-tiba sama-sama menunjuk ke arah yang sama, sehingga medan magnetiknya menguat, dan juga dapat diukur.

Namun demikian, efek Hall kuantum lebih sulit untuk dipahami; konduktansi listrik pada lapisan kelihatannya hanya dapat dianggap memiliki nilai tertentu, yang sangat presisi. Hal ini sangat tidak lazim dalam fisika. Hasil pengukuran akan memberikan hasil yang tepat sama meskipun temperatur, medan magnetik atau jumlah ketidakmunian dalam semikonduktor bervariasi. Apabila medan magnetik sedikit berubah, konduktansi lapisan juga berubah, tetapi hanya dalam satu tahap; mengurangi kekuatan medan magnetik menyebabkan konduktansi listrik pertama kali akan dua kali lebih besar, kemudian menjadi tiga kali, empat kali, dan seterusnya. Kelipatan bulat ini tidak dapat dijelaskan oleh teori fisika yang dikenal pada saat itu, tetapi David Thouless menemukan solusi terhadap hal ini dengan menggunakan topologi.

Topologi Jawabannya


Topologi menggambarkan sifat-sifat yang tetap utuh ketika sebuah benda diregangkan, dipelintir, atau dideformasi, tetapi akan berubah jika dipisahkan. Secara topologis, sebuah bola dan sebuah mangkuk memiliki kategori yang sama, karena segumpal tanah lempung yang berbentuk bola dapat diubah menjadi mangkuk. Tetapi sebuah roti donat yang memiliki lubang di tengahnya dan sebuah cangkir kopi yang memiliki lubang di pegangannya memiliki kategori yang lain; keduanya juga dapat dimodel ulang untuk dapat membentuk roti atau cangkir. Objek topologis dengan demikian dapat mengandung satu lubang, dua lubang, tiga lubang, atau empat lubang, dan seterusnya, tetapi angka-angka ini harus dalam bentuk bilangan bulat. Hal ini kemudian bermanfaat dalam menggambarkan konduktansi listrik yang ditemukan dalam efek Hall kuantum, yang hanya berubah satu tahapan yang merupakan kelipatan dari bilangan bulat.



Pada efek Hall kuantum, elektron relatif bebas berpindah dalam lapisan antara semikonduktor dan membentuk sesuatu yang disebut cairan kuantum topologis. Dengan cara yang sama, sebuah karakteristik baru sering muncul jika banyak partikel-partikel yang bergabung, elektron-elektron dalam cairan kuantum topologis juga menunjukkan karakteristik yang menarik. Seperti halnya kita tidak dapat mengetahui apakah terdapat sebuah lubang di sebuah cangkir kopi hanya dengan melihat pada sebagian kecil cangkir tersebut, adalah tidak mungkin juga menentukan apakah elektron telah membentuk sebuah cairan kuantum topologis jika kita hanya mengamati apa yang terjadi pada sebagian dari elektron tersebut. Namun demikian, konduktansi menggambarkan gerak kolektif elektron dan, karena topologi, konduktansi ini memiliki nilai yang terkuantitasi. Karakteristik lain dari cairan kuantum topologis adalah bahwa batas cairan ini memiliki sifat yang tidak lazim. Hal ini telah diprediksi oleh teori dan telah terkonfirmasi secara eksperimen.

Momen penting lain terjadi pada tahun 1988, tatkala Duncan Haldane menemukan bahwa cairan kuantum topologis, seperti halnya pada efek Hall kuantum, dapat terbentuk dalam lapisan semikonduktor tipis walaupun tidak terdapat medan magnetik. Haldane mengatakan bahwa dia tidak pernah memimpikan model teoritisnya akan terbukti secara eksperimental tetapi, sekitar tahun 2014, model ini tervalidasi dalam sebuah eksperimen yang menggunakan atom yang didinginkan hingga temperaturnya hampir mencapai nol mutlak.

Topologi Material baru dalam pipa


Dari hasil pekerjaan yang dilakukannya, sejak tahun 1982, Duncan Haldane telah memberikan sebuah prediksi yang mengejutkan bahkan oleh fisikawan yang ahli di bidangnya sekalipun. Dalam studi teoritis tentang rantai atom magnetik yang terjadi dalam beberapa material, Haldane menemukan bahwa rantai-rantai tersebut memiliki karakteristik yang berbeda secara mendasar bergantung pada karakter magnet atomiknya. Dalam fisika kuantum terdapat dua jenis magnet atomik, yaitu magnetik atomik ganjil dan genap. Haldane mendemonstrasikan bahwa sebuah rantai yang terbentuk dari magnet genap akan bersifat topologis, sedangkan rantai magnet ganjil tidak. Seperti halnya cairan kuantum topologis, tidak mungkin untuk menentukan apakah sebuah rantai atomik bersifat topologis atau tidak hanya dengan menganalisis sebagian kecil dari rantai atomik tersebut. Dan, seperti pada cairan kuantum, karakteristik topologis tersebut mengungkap dirinya sendiri di pinggir-pinggir rantai atomik. Dalam hal ini, pinggir-pinggir tersebut adalah di ujung-ujung rantai karena karakteristik kuantum diketahui sebagai spin setengah di ujung-ujung sebuah rantai topologis.

Pada awalnya tidak seorang pun yang memercayai penalaran Haldane tentang rantai atomik ini; para peneliti sangat yakin bahwa mereka telah memahaminya. Tetapi kemudian Haldane menemukan contoh pertama dari jenis topologi material yang baru, yang sekarang menjadi bidang penelitian yang hidup dalam fisika zat padat.

Baik cairan Hall kuantum maupun rantai atomik magnetik merupakan bagian dari kelompok baru keadaan topologis ini. Belakangan, para peneliti menemukan beberapa keadaan topologis materi lainnya yang tidak terduga, bukan hanya dalam bentuk rantai, atau lapisan tipis, tetapi juga dalam material tiga dimensi yang biasa.

Isolator topologis, superkonduktor topologis, dan logam topologis sekarang ini sedang hangat dibincangkan. Kita menaruh harapan bahwa material topologis ini akan bermanfaat untuk menghasilkan generasi baru elektronika dan superkonduktor, atau pada komputer kuantum di masa depan.

Selamat kepada penerima anugerah Nobel fisika 2016!

sumber: Laman the Royal Swedish Academy of Sciences, http://kva.se



Nobel Fisika 2016: FENOMENA ASING DI JAGAD MATERI DATAR Nobel Fisika 2016: FENOMENA ASING DI JAGAD MATERI DATAR Reviewed by Momang Yusuf on 11/10/2016 03:47:00 PM Rating: 5

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.