Sebuah tim peneliti internasional untuk pertama kalinya mengamati secara langsung bagaimana momentum sudut bergerak melalui kisi kristal, mengungkap efek kuantum tak terduga yang menyebabkan arah rotasi terbalik. Penemuan ini, yang dilakukan dengan menggunakan pulsa laser terahertz yang intens, memberikan para ilmuwan wawasan baru tentang asal mula magnetisme dan pada akhirnya dapat membantu para peneliti mengendalikan material kuantum tingkat lanjut dengan lebih baik.
Studi ini dipimpin oleh para ilmuwan dari Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institut Fritz Haber dari Max Planck Society dan kolaborator dari Berlin, Dresden, Jülich dan Eindhoven. Temuan mereka dipublikasikan di Fisika alam.
Sebuah misteri lama tentang magnetisme
Dalam fisika, besaran seperti energi, momentum, dan momentum sudut bersifat kekal, artinya besaran-besaran tersebut tidak dapat hilang atau tercipta dari ketiadaan. Sebaliknya, mereka berpindah antar bagian sistem yang berbeda. Momentum sudut dikenal dalam kehidupan sehari-hari melalui benda-benda yang berputar seperti roda sepeda atau komidi putar, namun dalam skala atom, momentum ini sangat terkait dengan magnetisme.
Lebih dari satu abad yang lalu, Albert Einstein dan Wander Johannes de Haas menunjukkan bahwa mengubah magnetisasi suatu material secara fisik dapat menyebabkannya berputar. Eksperimen mereka yang terkenal menunjukkan bahwa momentum sudut magnet dan mekanik saling berkaitan. Sejak itu, para ilmuwan telah mencoba memahami dengan tepat bagaimana momentum sudut merambat melalui struktur internal benda padat.
Kini, para peneliti telah mengamati secara langsung proses yang terjadi di dalam kristal.
Laser yang kuat mengungkap pergerakan atom yang tersembunyi
Tim mempelajari bagaimana momentum sudut bergerak di antara getaran kisi, yang merupakan gerakan terkoordinasi atom di dalam kristal. Untuk mengamati hal ini, para ilmuwan menggunakan pulsa laser terahertz ultra-kuat untuk mengubah getaran menjadi gerakan melingkar. Pulsa laser ultracepat kedua kemudian melacak bagaimana gerakan ini berinteraksi dengan getaran lain yang digabungkan dalam material.
Selama percobaan, para peneliti mengamati sesuatu yang mengejutkan. Ketika momentum sudut berubah dari satu getaran ke getaran lainnya, arah putarannya berbalik.
Efeknya berasal dari simetri rotasi kisi kristal. Dalam sistem ini, keadaan rotasi tertentu secara fisik setara meskipun berputar berlawanan arah. Menurut para peneliti, hasilnya bertindak sebagai tanda mekanika kuantum langsung dari kekekalan momentum sudut di dalam benda padat.
Efek kuantum yang aneh “1 + 1 = −1”
Bahan yang digunakan dalam percobaan, bismut selenida, menunjukkan perilaku yang tidak biasa. Momentum sudut dari getaran jaringannya digabungkan menghasilkan rotasi baru yang bergerak dengan frekuensi dua kali lipat tetapi berlawanan arah.
Para peneliti menggambarkan hal ini sebagai semacam efek “1 + 1 = −1”. Dalam fisika, fenomena ini menyerupai proses Umklapp, di mana gerakan dibalik secara efektif karena simetri struktur kristal. Meskipun proses Umklapp telah diketahui dari bidang fisika benda terkondensasi lainnya, ini adalah demonstrasi eksperimental pertama yang melibatkan momentum sudut sebuah kisi.
“Saya merasa sangat elegan bagaimana hukum fisika ditentukan secara langsung oleh kesimetrian alam,” kata Olga Minakova, seorang mahasiswa doktoral di Institut Fritz Haber dari Max Planck Society dan ahli fisika eksperimental utama dalam studi tersebut.
Sebastian Maehrlein, kepala departemen Institut Fisika Radiasi HZDR, profesor di TU Dresden dan pemimpin penelitian, menambahkan: “Bagi saya, ini adalah hasil yang sangat menarik. Kami telah menemukan sesuatu yang secara fundamental baru yang diharapkan dapat dimasukkan ke dalam buku teks.”
Penerapan teknologi kuantum di masa depan
Selain menyelesaikan pertanyaan fisika yang sudah lama ada, hasilnya juga bisa mempunyai implikasi praktis. Para peneliti mengatakan pekerjaan ini dapat membantu para ilmuwan mengendalikan proses ultracepat dalam material kuantum dengan lebih baik, sehingga berpotensi berkontribusi terhadap teknologi informasi masa depan dan perangkat memori generasi berikutnya.
Institusi yang berpartisipasi termasuk Institut Fritz Haber dari Max Planck Society (Berlin), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, TU Dresden, Forschungszentrum Jülich dan Universitas Teknologi Eindhoven (Belanda).
