Para Ilmuwan Akhirnya Memecahkan Misteri Kuantum Yang Telah Berusia Seabad

Clougherty dan Dinh (yang lulus dari UVM pada tahun 2024 dengan gelar Sarjana Sains (BSc) di bidang fisika, pada tahun 2025 dengan gelar magister, dan sekarang sedang menempuh program Doktor Matematika di UVM) -- dengan dukungan dari National Science Foundation dan NASA -- merumuskan kembali model Lamb untuk dunia kuantum dan menemukan solusinya. "Untuk mempertahankan prinsip ketidakpastian, perlu untuk memasukkan secara rinci interaksi atom dengan semua atom lain dalam benda padat," jelas Clougherty, "ini disebut masalah banyak-benda."

Tiny Tools? (Perangkat Kecil?)

Sumber:sciencedaily.com

Bagaimana mereka memecahkan masalah ini? Berpeganganlah pada kursi kita. "Melalui transformasi Bogoliubov multimode/multimode Bogoliubov*, yang mendiagonalisasi Hamiltonian sistem dan memungkinkan penentuan sifat-sifatnya," tulis mereka, menghasilkan keadaan yang disebut "vakum terkompresi multimode." Jika kita melewatkan sedikit bagian itu, cukuplah untuk mengatakan bahwa para peneliti UVM mampu merumuskan kembali sistem Lamb secara matematis sehingga perilaku osilasi atom dapat dijelaskan sepenuhnya dengan tepat.

(*Bogoliubov multimode/multimode Bogoliubov,Transformasi Bogoliubov multimode adalah teknik matematika yang diterapkan pada sistem kuantum multimode [seperti yang melibatkan banyak boson atau fermion], yang mengubah operator pemusnahan dan penciptaan asli menjadi operator baru yang merepresentasikan eksitasi elementer atau kuasipartikel sistem. Dengan mengubah ke basis baru di mana Hamiltonian disederhanakan dan didiagonalkan, transformasi ini membantu dalam memahami sifat kuantum sistem yang berinteraksi kompleks, seperti superkonduktor atau kondensat Bose-Einstein, dengan memperlakukan kondensat atau pasangan tersebut sebagai jenis eksitasi fundamental baru.

Boson: Kondensat Bose-Einstein. Fermion: Sistem dengan fermion berpasangan dan kondensat fermion.

Intinya: Transformasi Bogoliubov multimode adalah alat yang memungkinkan fisikawan untuk "melihat" entitas kuantum fundamental (kuasipartikel) dalam sistem yang kompleks dan saling berinteraksi dengan mengubah operator asli menjadi operator yang mendeskripsikan entitas baru tersebut. Hal ini menyederhanakan dinamika sistem dan memungkinkan studi propertinya, bahkan untuk situasi non-trivial seperti kondensat.)

Dan penentuan posisi satu atom secara tepat dapat menghasilkan sesuatu seperti pita pengukur terkecil di dunia: metode baru untuk mengukur jarak kuantum dan teknologi sensor ultra-presisi lainnya.

Aplikasi potensial ini muncul dari konsekuensi penting dari karya baru para ilmuwan UVM: karya tersebut memprediksi bagaimana ketidakpastian posisi atom berubah seiring interaksi dengan atom-atom lain dalam padatan. "Dengan mengurangi ketidakpastian ini, seseorang dapat mengukur posisi hingga akurasi di bawah batas kuantum standar," kata Clougherty. Dalam fisika, ada beberapa batasan mutlak, seperti kecepatan cahaya, dan prinsip ketidakpastian Heisenberg mencegah pengukuran partikel yang sempurna.

Namun, ketidakpastian ini dapat dikurangi melampaui batas normal dengan trik kuantum tertentu, dalam hal ini menghitung perilaku partikel dalam keadaan "vakum terkompresi" khusus yang mengurangi derau keacakan kuantum dalam satu variabel (lokasi) dengan meningkatkannya di variabel lain (momentum).

Manuver matematika semacam inilah yang melatarbelakangi terciptanya detektor gelombang gravitasi pertama yang berhasil, yang mampu mengukur perubahan jarak seribu kali lebih kecil daripada inti atom -- dan karenanya dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 2017. Entah apa yang akan terungkap dari penemuan para ahli teori Vermont tentang solusi kuantum baru untuk model Lamb yang telah berusia seabad ini.