Nobel Fisika untuk Penyibak Topologi Materi

Komite Nobel Akademi Ilmu Pengetahuan Kerajaan Swedia memutuskan Hadiah Nobel Fisika 2016 kepada tiga fisikawan AS. Yaitu, David J Thouless (University of Washington, Seattle, Washington) mendapat separuh, dan setengah lainnya untuk F Duncan M Haldane (Princeton University, New Jersey) dan J Michael Kosterlitz (Brown University, Providence, Rhode Island).

Mereka dianugrahi Nobel Fisika atas jasanya menemukan teori transisi fase topologi materi. Melalui karya-karya ilmiah mereka, ketiganya berhasil mengungkapkan rahasia dari materi eksotis, kata Prof Göran K Hansson, Ketua The Royal Swedish Academy of Sciences (RSAS) sekaligus Ketua Komite Nobel dalam siaran persnya (4/10).

Tiga fisikawan tersebut, secara terpisah dan bersama-sama, telah menggunakan metode matematika canggih untuk mempelajari tahapan yang tidak biasa, dari kondisi suatu materi, seperti superkonduktor, superfluids atau film tipis magnetik. Berkat kepeloporan mereka, riset fisika mutakhir dimudahkan berburu aneka materi eksotis. Banyak orang berharap aplikasinya di masa depan akan membuat lompatan dlam ilmu material maju dan elektronik.

Topologi adalah cabang matematika yang menggambarkan sifat-sifat materi yang berubah wujud dari padat, cair, gas, dan plasma. Menggunakan topologi sebagai alat, mereka mampu memukau para ahli. Pada awal 1970-an, Michael Kosterlitz dan David Thouless berhasil menyingkap teori superkonduktivitas atau suprafluidity magnetik dalam lapisan tipis. Mereka menunjukkan bahwa superkonduktivitas bisa terjadi pada suhu rendah dan juga menjelaskan mekanisme, fase transisi, yang membuat superkonduktivitas menghilang pada suhu yang lebih tinggi.

Pada 1980-an, Thouless mampu menjelaskan percobaan sebelumnya dengan menggunakan konduktan elektrik lapisan sangat tipis. Dia menunjukkan bahwa bilangan bulat menjadi topologi di alam mereka. Pada waktu bersamaan, Duncan Haldane menemukan bagaimana konsep topologi dapat digunakan untuk memahami sifat-sifat rantai magnet kecil yang ditemukan pada beberapa bahan.

Kini, parah fisikawan telah mengetahui banyak tahapan topologi, tidak hanya di lapisan tipis dan benang, tetapi juga dalam bahan tiga dimensi biasa. Selama dekade terakhir, daerah ini telah mendorong penelitian garis depan dalam fisika benda terkondensasi. “Muncul harapan, topologi bahan dapat digunakan dalam produksi aneka generasi produk elektronik dan superkonduktor baru, termasuk dalam pengembangan komputer kuantum masa depan,” tambah Michael Kostrlitz.

Dalam pandangan klasik, materi berdasarkan wujudkan dibagi dalam benda padat, cair dan gas. Ketiganya memiliki ciri, fungsi dan karakteristik tersendiri, Tetapi, kini katagorisasi atau pembagian benda seperti itu terlalu sederhana. Terlalu kasar.
Kita juga mengenal beragam magnet dan aneka superfluida. Faktanya, kebanyakan materi lebih kompleks dari kristal homogen dalam bentuk padat, cairan atau gas. Juga lebih luas dari klasifikasi plasma, kristal cair dan aneka polimer. Selain itu, ada materi yang terekspresi dalam fase isolator, konduktor, semikonduktor, dan superkonduktor.

Hasil karya ilmiah ketiga fisikawan AS telah berhasil membuka babak baru riset fisika yang membawa lahirnya konsep-kosnep baru dan penting dalam studi bidang fisika. Mulai dari fisika materi hingga fisika kuantum

Menurut ketiga Nobelis Fisika 2016, sejatinya semua materi dapat diatur oleh hukum fisika kuantum. Gas, cairan dan padatan adalah fase yang biasa materi, di mana efek kuantum sering tersembunyi oleh gerakan acak atom-atom penyusunnya. Dalam kondisi ekstrim, sangat ingin, mendekati nol mutlak (-273 derajat Celsius), banyak materi ada dalam kondisi fase baru yang aneh dan berperilaku seperti plasma dan atau kondensat kuantum.

Menurut David J Thouless, fase materi yang paling umum adalah gas, cair dan zat padat. Namun, dalam suhu yang sangat tinggi atau rendah, kondisi materi yang lebih eksotis.

Ketika ada perubahan suhu, fase materi ada dalam kondisi transisi. Misalnya, seperti transisi fase terjadi ketika es, yang terdiri dari kristal yang tertata dengan baik, dipanaskan dan meleleh menjadi cair (air), konfigurasi atom menjadi lebih acak. Begitu pun saat suhu dipanaskan, fase cair berubah menjadi fase gas, atom-atom bergerak lebih bebas dan acak.

Hal-hal aneh bisa terjadi dalam kondisi dingin. Misalnya, jika tidak ada hambatan (perlawanan) semua partikel bergerak tiba-tiba berhenti. Tetapi dalam materi superkonduktor, arus listrik dapat mengalir tanpa hambatan. Pun begitu, dalam materi superfluida, materi mengalir atau berpusar stabil selamanya tanpa ada perlambatan atau percepatan. Kecuali ketika kondisinya diubah atau berubah.

Orang pertama yang secara sistematis mempelajari fenomena superfluida adalah fisikawan Rusia, Pyotr Kapitsa, pada 1930-an. Dia mendinginkan helium-4, yang ditemukan di udara, ke -271 derajat Celcius atau mendekati suhu non mutlak. Dia mengamati materi itu berperilaku aneh sebagai superfluida, dimana viskositas (derajat kekentalan) mendekati nol. Atas jasanya, Kapitsa dianugerahi Nobel Fisika 1978. Sejak itu berkembanglah beberapa jenis superfluida.

Para peneliti lama percaya bahwa fluktuasi termal dapat menghancurkan semua urutan materi datar, dua dimensi, bahkan bahkan pada kondisi nol mutlak. Pandangan ini direvisi tahun 1970-an oleh David Thouless dan Michael Kosterlitz. Keduanya bertemu di Birmingham, Inggris, dan mengajukan teori fase transisi: KT transisi (Kosterlitz-Thouless transisi). Belakangan, dilengkapi menjadi atau transisi BKT, di mana B adalah berasal dari Vadim Berezinskii, ahli fisika teoritis dari Moskow, yang punya ide yang sama.

Perkembangan eksperimental akhirnya membawa sejumlah penjelasan fase-fase topologi materi. Pada 1980-an, David Thouless dan Duncan Haldane mengajukan konsep baru: teori kuantum mekanik. Konsep ini diajukan untuk menjelaskan fenomena dasar bahan penghantar listrik. Keduanya menemukan adanya keunikan rantai atom magnetik saat medan magnet kuat terpapar suhu rendah. Mereka menemukan topologi efek Hall seperti diramalkan fisikawan Jerman Klaus von Klitzing, yang juga meraiih Nobel Fisika tahun 1985.
Thouless dan Haldane membuktikan secara eksoperimental bahwa dua lapis bahan semikonduktor yang berdekatan dapat menghasilkan medan magnet kuat ketika suhunya diturunkan. Banyak materi semikonduktor berubah menjadi magnet saat ada penurunan suhu. Hal ini terjadi karena semua spin elektron dalam atom materi tiba-tiba menunjuk ke arah yang sama, sehingga menimbulkan medan magnet yang kuat.

Dalam efek Hall kuantum, elektron bergerak relatif bebas pada lapisan antara semikonduktor dan membentuk sesuatu cairan kuantum topologi. Dengan cara yang sama sifat baru muncul seiring dengan banyaknya partikel datang bersama-sama. Maka, elektron dalam cairan kuantum topologi juga menampilkan karakteristik mengejutkan. Efek hall kuantum terbentuk dan menghasilkan magnet kuat, tiga - empat kali lebih besar dari potennsi elemen penyusunnya.

Dedi Junaedi

Comments

Popular posts from this blog

Wakalah, Hiwalah dan Kafalahah, Hiwalah dan Kafalah

Indikator Keberhasilan Pembangunan Dalam Perspektif Islam

Magnet Bumi Berubah: Kelak, Matahari Terbit dari Barat!