Fenomena kuantum biasanya dikaitkan dengan objek yang sangat kecil, seperti atom, molekul, atau foton, yang harus diisolasi secara hati-hati dari lingkungannya. Tapi bisakah efek kuantum aneh yang sama juga terjadi pada objek yang cukup besar untuk dilihat dan dipegang?
Para peneliti dari TU Wien kini telah memberikan bukti yang meyakinkan atas keberhasilan mereka. Dengan mempelajari kristal berukuran sentimeter yang terbuat dari jenis bahan yang dikenal sebagai logam aneh, tim mendeteksi keterikatan kuantum tingkat tinggi, salah satu fitur fisika kuantum yang paling luar biasa. Mereka mencapai hal ini dengan menggunakan teknik dari ilmu informasi kuantum yang disebut informasi kuantum Fisher.
Hasilnya menciptakan hubungan baru antara informasi kuantum dan fisika benda padat dengan menunjukkan bahwa keterikatan kuantum dapat diukur secara langsung dalam logam aneh makroskopis.
Dari kucing Schrödinger hingga sarang semut
Apakah mekanika kuantum hanya berlaku untuk partikel kecil atau juga untuk objek yang lebih besar telah diperdebatkan sejak awal bidang ini. Fisikawan Erwin Schrödinger mengilustrasikan misteri tersebut dengan eksperimen pemikirannya yang melibatkan seekor kucing yang hidup dan mati hingga ia teramati. Sejak itu, para ilmuwan telah berulang kali mendorong batasan ukuran sistem yang dapat menunjukkan perilaku kuantum.
Tim TU Wien mendekati masalah ini dari sudut pandang yang berbeda.
“Pendekatan kami berbeda,” kata Profesor Silke Bühler-Paschen dari Institut Fisika Solid State di TU Wien. “Kami tidak mencoba untuk menempatkan kristal secara keseluruhan dalam superposisi dua keadaan. Sebaliknya, kami mempertanyakan apakah konstituennya – secara kolektif – berada dalam keadaan terjerat.”
Daripada memikirkan kucing Schrödinger, Bühler-Paschen mengatakan pengalaman itu lebih seperti sarang semut. Ketika sarang semut diganggu, respons datang dari koloni yang bertindak bersama-sama, bukan dari individu semut. Para peneliti ingin menentukan apakah partikel di dalam kristal berperilaku serupa.
Wawasan Quantum Fisher Mengungkap Kekusutan Tersembunyi
Kerangka teoritis di balik eksperimen ini dikembangkan oleh fisikawan kuantum Innsbruck Peter Zoller dan rekan-rekannya. Pekerjaan mereka menunjukkan bahwa informasi kuantum Fisher dapat digunakan untuk mengidentifikasi keterikatan kuantum, bahkan dalam sistem kompleks yang terdiri dari sejumlah besar partikel yang berinteraksi.
“Informasi Quantum Fisher mengukur sensitivitas sistem kuantum dalam merespons perubahan,” jelas Bühler-Paschen. “Untuk sekumpulan partikel independen, responsnya terbatas karena masing-masing partikel berkontribusi sendiri-sendiri. Namun, jika partikel-partikel tersebut terjerat, seluruh sistem mungkin merespons lebih kuat daripada jumlah masing-masing bagiannya. Peningkatan sensitivitas inilah yang membuat keterjeratan menjadi sumber daya yang berharga bagi metrologi kuantum, yang bertujuan untuk mendeteksi sinyal yang sangat kecil dengan presisi setinggi mungkin. Dengan mengukur kekuatan respons suatu sistem terhadap gangguan, maka kita dapat menyimpulkan tingkat keterjeratan yang ada dalam material.”
Sederhananya, sistem yang sangat terjerat memberikan respons yang lebih dramatis terhadap gangguan dibandingkan kumpulan partikel independen, sehingga memungkinkan para peneliti memperkirakan tingkat keterjeratan yang ada.
Kristal metalik yang aneh menunjukkan perilaku kuantum kolektif
Untuk menguji ide ini, para peneliti menciptakan kristal yang terdiri dari cerium, paladium, dan silikon. Bahan ini termasuk dalam kelas logam aneh, yang telah lama membuat fisikawan terpesona karena menunjukkan sifat kuantum yang tidak biasa dan hanya sebagian yang masih dipahami.
Di Laue-Langevin Institute (ILL) di Grenoble, mahasiswa doktoral Federico Mazza menembakkan neutron ke kristal dan mengukur responsnya.
“Dalam material normal, Anda mengharapkan neutron mentransfer energinya ke sebuah partikel,” kata Mazza. “Tetapi dengan menganalisis data menggunakan informasi kuantum Fisher, kami menemukan jawaban yang tidak dapat dijelaskan dalam istilah partikel independen. Sebaliknya, ini menunjukkan bahwa kelompok yang terdiri dari setidaknya sembilan entitas kuantum yang terjerat bertindak secara kolektif.”
Pengukuran tersebut memberikan bukti langsung adanya keterikatan kuantum multipartit yang kuat di dalam kristal padat yang cukup besar agar pas dengan nyaman di telapak tangan Anda.
Memecahkan Misteri Logam Aneh
Para peneliti awalnya bertujuan untuk lebih memahami mengapa logam aneh berperilaku sangat berbeda dari bahan konvensional. Perilaku serupa juga ditemukan di sistem lain, terutama superkonduktor suhu tinggi.
Ketertarikan terhadap logam aneh telah berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir seiring para ilmuwan terus menemukan sifat-sifat yang tidak terduga. Pada tahun 2025, peneliti dari TU Wien dan Rice University melaporkan bahwa arus listrik mengalir melalui material ini dengan kebisingan listrik yang sangat rendah. Keterikatan kuantum yang baru-baru ini diamati dapat membantu menjelaskan alasannya. Alih-alih bertindak secara independen, partikel-partikel tersebut tampaknya mengoordinasikan perilakunya sedemikian rupa sehingga menekan fluktuasi arus.
“Apa yang kita lihat di sini bukanlah detail material tertentu, namun prinsip fisik umum,” jelas Fakher Assaad dari Universitas Würzburg, ahli teori utama karya tersebut. “Keterikatan yang kuat tampaknya berhubungan langsung dengan perilaku logam aneh yang tidak biasa.”
Menuju teknologi kuantum masa depan
Para peneliti percaya bahwa karya ini menunjukkan nilai menyatukan ide-ide dari ilmu informasi kuantum dan fisika benda terkondensasi.
“Hasilnya merupakan kesuksesan besar bagi kami,” kata Silke Bühler-Paschen. “Mereka mengkonfirmasi bahwa pendekatan kami yang tidak biasa dalam menggunakan metode ilmu informasi kuantum untuk studi fisika benda padat terhadap material baru dapat mengungkapkan wawasan baru yang mendasar.”
Tim sekarang sedang mempertimbangkan pertukaran ide sebaliknya. Mereka berharap dapat menentukan apakah logam aneh pada akhirnya dapat berguna untuk teknologi kuantum, termasuk sistem metrologi kuantum yang sangat sensitif yang dapat mendeteksi sinyal yang sangat kecil dengan presisi luar biasa.
