Atom Super Dingin

Apa yang terjadi pada gas ketika didinginkan hingga mendekati nol mutlak? Lebih dari 70 tahun yang lalu, Albert Einstein, memperluas karya fisikawan India Satyendra Nath Bose, meramalkan bahwa pada suhu yang sangat rendah, atom gas dari unsur-unsur tertentu akan "bergabung" atau "mengembun" untuk membentuk satu kesatuan dan bentuk materi baru. Tidak seperti gas, cairan, dan padatan biasa, zat superkondensasi ini, yang dinamai Bose-Einstein condensate (BEC), tidak mengandung atom individu karena atom asli akan saling tumpang tindih, sehingga tidak ada ruang di antaranya.

Hipotesis Einstein menginspirasi upaya internasional untuk menghasilkan BEC. Tetapi, seperti yang kadang-kadang terjadi dalam sains, teknologi yang diperlukan tidak tersedia sampai saat ini, dan penyelidikan awal tidak membuahkan hasil. Laser, yang menggunakan proses berdasarkan ide Einstein lain, tidak dirancang secara spesifik untuk penelitian BEC, tetapi mereka menjadi alat penting untuk pekerjaan ini.

Akhirnya, pada 1995, fisikawan menemukan bukti yang telah lama mereka cari. Sebuah tim di University of Colorado adalah yang pertama melaporkan kesuksesan. Mereka menciptakan BEC dengan mendinginkan sampel atom gas rubidium (Rb) sampai sekitar 1,7 x 10⁻⁷ K menggunakan teknik yang disebut "pendinginan laser," sebuah proses di mana sinar laser diarahkan pada seberkas atom, memukul mereka di kepala dan secara dramatis memperlambat mereka. Atom Rb selanjutnya didinginkan dalam "molase optik" yang dihasilkan oleh persimpangan enam laser. Atom yang paling lambat dan paling keren terperangkap dalam medan magnet sementara atom "panas" yang bergerak lebih cepat keluar, sehingga menghilangkan lebih banyak energi dari gas. Di bawah kondisi ini, energi kinetik dari atom yang terperangkap hampir nol, yang menyebabkan suhu gas yang sangat rendah. Pada titik ini, atom Rb membentuk kondensat, seperti yang diprediksi Einstein. Meskipun BEC ini tidak terlihat oleh mata telanjang (hanya berukuran 5 x 10⁻³ cm), para ilmuwan dapat menangkap gambarnya di layar komputer dengan memfokuskan sinar laser lain di atasnya. Laser menyebabkan BEC pecah setelah sekitar 15 detik, tetapi itu cukup lama untuk merekam keberadaannya.

*Distribusi kecepatan Maxwell dari atom Rb sekitar 1,7 x 10⁻⁷ K. Kecepatan meningkat dari pusat (nol) ke luar di sepanjang dua sumbu. Warna merah mewakili jumlah atom Rb terendah dan warna putih paling tinggi. Kecepatan rata-rata di wilayah putih adalah sekitar 0,5 mm/s.

Gambar ini menunjukkan distribusi kecepatan Maxwell dari atom Rb pada suhu ini. Warna-warna menunjukkan jumlah atom yang memiliki kecepatan ditentukan oleh dua sumbu horizontal. Bagian biru dan putih mewakili atom yang telah bergabung untuk membentuk BEC.

Dalam beberapa minggu setelah penemuan tim Colorado, sekelompok ilmuwan di Rice University, menggunakan teknik serupa, berhasil menghasilkan BEC dengan atom lithium dan pada tahun 1998 ilmuwan di Massachusetts Institute of Technology mampu menghasilkan BEC dengan atom hidrogen. Sejak itu, banyak kemajuan telah dibuat dalam memahami sifat-sifat BEC secara umum dan percobaan diperluas ke sistem molekul. Diharapkan bahwa studi-studi BEC akan menjelaskan sifat-sifat atom yang masih belum sepenuhnya dipahami (lihat Bab 7) dan tentang mekanisme superkonduktivitas. Manfaat tambahan mungkin adalah pengembangan laser yang lebih baik. Aplikasi lain akan tergantung pada studi lebih lanjut dari BEC itu sendiri. Namun demikian, penemuan bentuk materi baru harus menjadi salah satu pencapaian ilmiah terpenting abad ke-20.