Para: Scientists menemukan keadaan materi kuantum baru yang menghubungkan dua bidang fisika penting, yang berpotensi untuk mengarah pada kemajuan dalam komputasi, sensor, dan ilmu material.
Studi yang diterbitkan di Nature Physics 14 Januari, yang dipimpin bersama oleh Qimiao Si dari Rice University, menggabungkan kepekaan kuantum, di mana elektron fluktuasi antara berbagai fase, dan topologi elektronik, yang menjelaskan bentuk organisasi kuantum berdasarkan perilaku gelombang elektron. Para peneliti menemukan bahwa interaksi kuat di antara elektron dapat menghasilkan perilaku topologis, membuka jalan bagi teknologi baru yang dapat menggunakan keadaan kuantum ini dalam aplikasi dunia nyata.
“Ini adalah langkah fundamental ke depan,” kata Si, Profesor Fisika dan Astronomi Harry C. dan Olga K. Wiess dan direktur Extreme Quantum Materials Alliance di Rice University. “Karya kami menunjukkan bahwa efek kuantum yang kuat dapat digabungkan untuk menciptakan sesuatu yang sama sekali baru, yang mungkin membentuk masa depan ilmu kuantum.”
Menghubungkan kepekaan dan topologi kuantum
Tim peneliti mengembangkan model teoritis yang memprediksi bagaimana elektron berperilaku saat tunduk pada interaksi kuat dan efek topologi. Kepekaan kuantum biasanya melibatkan elektron yang fluktuasi antara berbagai keadaan teratur, mirip dengan air yang hampir membeku atau mendidih. Sementara itu, topologi berhubungan dengan “putaran” stabil dalam sifat gelombang elektron, yang tetap ada bahkan saat struktur material berubah.
Secara tradisional, fenomena kuantum ini dipelajari secara terpisah. Topologi diamati dalam material dengan interaksi elektron yang lemah, sementara kepekaan kuantum dominan dalam sistem dengan elektron yang saling berkaitan dengan kuat. Tim peneliti bertujuan untuk menantang pemisahan yang sudah lama berlangsung ini.
“Dengan menggabungkan dua bidang ini, kami melangkah ke wilayah yang belum dipelajari,” kata Lei Chen, salah satu penulis pertama studi ini dan mahasiswa pascasarjana di Rice University. “Kami kaget menemukan bahwa kepekaan kuantum itu sendiri bisa menghasilkan perilaku topologis, terutama dalam pengaturan dengan interaksi yang kuat.”
Studi ini tidak berhenti pada level teoritis. Peneliti eksperimental di Vienna University of Technology, yang dipimpin oleh Silke Paschen, co-pemimpin studi ini, mengamati perilaku dalam materi fermion berat yang sejalan dengan prediksi teoritis yang dibuat oleh tim peneliti. Materi ini terdiri dari elektron yang bertindak seolah-olah mereka jauh lebih berat karena interaksi, menunjukkan tanda-tanda keadaan kuantum topologi baru.
Implikasi untuk teknologi kuantum
Hubungan antara kepekaan kuantum dan topologi bisa mengubah teknologi kuantum dengan mengembangkan perangkat yang tahan lama dan sangat sensitif, kualitas yang penting untuk komputasi, sensor, dan elektronik berdaya rendah.
Material topologi tahan terhadap gangguan, sementara kepekaan kuantum meningkatkan entanglement, menjadikan keadaan hibrida ini sangat berharga untuk mengelola perilaku kuantum. Kedua efek ini terkait dengan fenomena seperti superkonduktivitas dan sensitivitas ekstrim terhadap sinyal eksternal.
Temuan ini membuka jalur baru dalam desain material kuantum dengan implikasi teknologi yang signifikan.
“Temuan ini mengatasi kesenjangan dalam fisika materi kondensasi dengan menunjukkan bahwa interaksi elektron yang kuat dapat menimbulkan keadaan topologis daripada menghancurkannya,” kata Si. “Selain itu, mereka mengungkapkan keadaan kuantum baru yang memiliki signifikansi praktis yang besar.”
Membuat arah baru dalam ilmu material
Penemuan ini memberikan peta jalan untuk mengidentifikasi atau merancang materi baru yang menggabungkan sifat-sifat kuantum ini. Pendekatan tim peneliti menyarankan untuk mencari material yang berada di titik kuantum kritis yang juga memiliki potensi untuk struktur topologi.
Saat para peneliti menyelami lebih dalam ke dalam keadaan materi baru ini, mereka mengatakan bahwa mereka berharap akan menemukan perilaku kuantum yang lebih tidak biasa. Kemampuan untuk menggabungkan kepekaan kuantum dan topologi bisa mengubah cara ilmuwan mendekati desain dan aplikasi kuantum.
“Mengenal apa yang harus dicari memungkinkan kami untuk mengeksplorasi fenomena ini secara lebih sistematis,” kata Si. “Ini bukan hanya wawasan teoritis, tapi langkah menuju pengembangan teknologi nyata yang memanfaatkan prinsip-prinsip terdalam fisika kuantum.”
Para penulis bersama studi ini termasuk H. Hu dari Rice University; D.M. Kirschbaum, D.A. Zocco, F. Mazza, M. Karlich, M. Lužni, D.H. Nguyen, A. Prokofiev, X. Yan, dan J. Larrea Jimenez dari Vienna University of Technology; A. M. Strydom dari University of Johannesburg; dan D. Adroja dari Rutherford Appleton Laboratory.
Studi ini didukung oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara, National Science Foundation, Robert A. Welch Foundation, dan Vannevar Bush Faculty Fellowship.
