Fisikawan telah mengembangkan cara baru untuk mengontrol rotasi molekul di dalam tetesan kecil helium cair, menandai kemajuan signifikan dalam studi superfluida. Dengan menggunakan centrifuge optik yang dirancang khusus, tim ini mampu memutar molekul yang tersuspensi dalam nanodroplet helium cair secara tepat, sehingga memberi para ilmuwan alat baru yang ampuh untuk mengeksplorasi material yang tidak biasa ini tanpa gesekan.
Pencapaian ini merupakan demonstrasi sukses pertama dari rotasi molekul terkendali di dalam superfluida. Para peneliti sekarang dapat secara langsung menyesuaikan arah dan kecepatan rotasi molekul, sehingga memungkinkan untuk mempelajari bagaimana molekul berinteraksi dengan lingkungan kuantumnya pada frekuensi rotasi yang berbeda. Penelitian yang dilakukan oleh para peneliti dari University of British Columbia (UBC) bekerja sama dengan University of Fribourg, diterbitkan di Surat Pemeriksaan Fisik.
“Mengontrol rotasi molekul yang terlarut dalam cairan apa pun merupakan suatu tantangan,” kata Dr. Valery Milner, profesor fisika dan astronomi di UBC dan penulis makalah tersebut.
“Molekul-molekul terlarut berinteraksi dengan unsur-unsur atom atau molekul dalam cairan, secara efektif menjadi lebih besar dan lebih sulit untuk diputar. Bayangkan membuat bola salju: sangat mudah untuk memindahkannya ketika masih kecil, namun akan semakin sulit jika salju menempel padanya.”
Memahami superfluida
Superfluida, seperti helium cair yang didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak, adalah wujud materi yang tidak biasa yang mengalir tanpa viskositas. Meskipun tidak mempunyai gesekan internal, mereka tetap bertindak sebagai pelarut, memungkinkan molekul larut di dalamnya.
“Pertanyaan yang menarik dalam ilmu materi kuantum, dan yang akan dibantu oleh pendekatan baru ini untuk kita eksplorasi, adalah apa yang berubah dari perspektif molekul terlarut – terlarut – ketika Anda melakukan transisi dari fluida normal ke superfluida kuantum jenis ini,” tambah Dr Milner.
Teknik centrifuge optik baru
Sentrifugal optik tradisional telah digunakan untuk memutar molekul dalam gas dengan memaparkannya pada pulsa laser yang berputar. Saat medan listrik laser berputar, molekul gas sejajar dengannya dan mulai berputar. Namun hingga saat ini, pendekatan yang sama belum berhasil dengan molekul yang direndam dalam superfluida.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, Dr Milner dan rekannya memasukkan molekul ke dalam nanodroplet helium yang diolah dengan dimer oksida nitrat. Mereka kemudian memperkenalkan penundaan singkat antara pulsa laser. Interferensi yang dihasilkan menghasilkan laju rotasi yang jauh lebih lambat dan lebih konstan, sehingga memudahkan molekul untuk berotasi, sehingga meningkatkan apa yang para peneliti gambarkan sebagai “kapasitas putaran”.
Menjelajahi batas superfluiditas
Para peneliti sekarang berencana untuk memvariasikan frekuensi rotasi (menggunakan “kenop kontrol” baru yang ditawarkan oleh centrifuge baru) untuk mengidentifikasi titik kritis di mana rotasi molekul akan melambat secara signifikan karena superfluiditas mulai terurai.
“Tidak jelas bagaimana dan kapan – misalnya seberapa sering – transisi ini akan terjadi pada skala atom yang begitu kecil,” kata Dr. Milner. “Ini adalah area utama yang kami selidiki saat ini.”
Penelitian ini didukung oleh Dewan Riset Ilmu Pengetahuan Alam dan Teknik Kanada, Yayasan Inovasi Kanada, dan Dana Pengembangan Pengetahuan BC.
