Sebuah teori baru yang dikembangkan oleh fisikawan di Universitas Heidelberg menyatukan dua gagasan lama yang saling bersaing dalam fisika kuantum, menawarkan penjelasan terpadu tentang perilaku partikel yang tidak biasa dalam lingkungan kuantum yang padat. Karya ini menghubungkan dua deskripsi yang tampaknya berlawanan tentang satu pengotor yang bergerak melalui atau hampir tidak bergerak dalam kumpulan besar fermion, sebuah sistem yang dikenal sebagai Laut Fermi.
Kerangka kerja tersebut, yang dibuat oleh para peneliti di Institut Fisika Teoretis di Universitas Heidelberg, menjelaskan bagaimana partikel kuasi muncul dan menghubungkan dua keadaan kuantum yang sebelumnya terputus. Tim mengatakan terobosan ini dapat memiliki implikasi penting bagi eksperimen yang mengeksplorasi materi kuantum.
Teori baru menyatukan model kuantum yang bersaing
Fisika kuantum banyak benda telah lama mengandalkan model berbeda untuk menjelaskan bagaimana pengotor, seperti elektron atau atom eksotik, berinteraksi dengan partikel di sekitarnya.
Gambaran yang sudah mapan didasarkan pada partikel semu. Dalam model ini, satu pengotor bergerak melalui lautan fermion, termasuk elektron, proton, atau neutron, sambil berinteraksi dengan partikel di dekatnya. Selama perjalanannya, ia membawa partikel-partikel di sekitarnya, menciptakan entitas gabungan yang disebut polaron Fermi. Meskipun berperilaku seperti partikel tunggal, partikel kuasi ini sebenarnya dihasilkan dari pergerakan kolektif pengotor dan partikel di sekitarnya.
Menurut Eugen Dizer, seorang mahasiswa doktoral di Institut Fisika Teoritis di Universitas Heidelberg, model kuasipartikel ini telah menjadi alat mendasar untuk memahami sistem yang berinteraksi kuat, termasuk gas atom ultradingin, material padat, dan materi nuklir.
Memecahkan teka-teki kuantum berusia puluhan tahun
Gambaran yang sangat berbeda muncul ketika pengotornya sangat berat dan hampir tidak mampu bergerak. Dalam situasi ini, sebuah fenomena yang disebut bencana ortogonalitas Anderson mengambil alih.
Alih-alih menghasilkan kuasi-partikel, pengotor berat mengubah sistem kuantum secara dramatis sehingga fungsi gelombang fermion di sekitarnya kehilangan bentuk aslinya. Latar belakang kompleks yang dihasilkan mencegah gerakan terkoordinasi yang diperlukan agar partikel kuasi ada.
Selama beberapa dekade, fisikawan tidak memiliki teori yang mampu menjelaskan bagaimana dua gambaran yang sangat berbeda ini dapat digabungkan. Dengan menggunakan serangkaian teknik analisis, tim Heidelberg menunjukkan bagaimana model pengotor yang bergerak dan hampir tidak bergerak dapat disatukan menjadi satu kerangka teori tunggal.
Gerakan kecil mengungkap koneksi yang hilang
“Kerangka teoritis yang kami kembangkan menjelaskan bagaimana kuasipartikel muncul dalam sistem yang mengandung pengotor yang sangat berat, menghubungkan dua paradigma yang telah lama diperlakukan secara terpisah,” jelas Eugen Dizer, anggota kelompok kerja teori materi kuantum yang dipimpin oleh Profesor Richard Schmidt.
Para peneliti telah menemukan bahwa kotoran yang sangat berat pun tidak dapat didiamkan secara sempurna. Saat lingkungan sekitar menyesuaikan, kotoran ini masih mengalami sedikit pergerakan. Pergerakan kecil ini menciptakan kesenjangan energi yang memungkinkan kuasipartikel muncul dari latar belakang kuantum yang sangat berkorelasi.
Kerangka kerja baru ini juga secara alami menjelaskan bagaimana sistem kuantum bertransisi antara keadaan polaronik dan molekuler.
Implikasinya terhadap material kuantum dan eksperimen di masa depan
Menurut Profesor Schmidt, teori baru ini menawarkan cara serbaguna untuk menggambarkan ketidakmurnian kuantum dalam dimensi spasial yang berbeda dan interaksi yang sangat beragam.
“Penelitian kami tidak hanya memajukan pemahaman teoretis tentang pengotor kuantum, tetapi juga relevan secara langsung dengan eksperimen yang sedang berlangsung dengan gas atom ultradingin, material dua dimensi, dan semikonduktor baru,” tambah fisikawan Heidelberg.
Penelitian ini dilakukan melalui cluster keunggulan STRUKTUR di Universitas Heidelberg dan pusat penelitian kolaboratif ISOQUANT 1225. Hasilnya dipublikasikan di jurnal Surat Pemeriksaan Fisik.
