Tim yang dipimpin China mencari kuantum gravitasi yang sulit dipahami menemukan bukti pertama partikel berperilaku seperti graviton

“Pekerjaan kami telah menunjukkan pembuktian eksperimental pertama graviton dalam materi terkondensasi sejak partikel yang sulit dipahami dikonseptualisasikan pada 1930-an,” kata penulis utama studi Du Lingjie dari Universitas Nanjing kepada kantor berita negara Xinhua pada hari Kamis.

“Graviton adalah jembatan yang menghubungkan mekanika kuantum dan teori relativitas umum. Jika dikonfirmasi, itu akan memiliki implikasi besar bagi penelitian fisika modern,” katanya.

02:01

Laboratorium Terdalam di Dunia Dibuka di China Barat Daya untuk Mencari Materi Gelap

Laboratorium Terdalam di Dunia Dibuka di China Barat Daya untuk Mencari Materi Gelap

Studi ini sangat kolaboratif, menurut makalah itu. Para peneliti di Princeton University menyiapkan sampel semikonduktor berkualitas tinggi, sementara percobaan dilakukan di fasilitas unik yang membutuhkan waktu tiga tahun untuk dibangun Du dan timnya.

Dalam teori relativitas umum Albert Einstein, ia menggambarkan gravitasi sebagai distorsi ruang-waktu yang disebabkan oleh massa dan energi.

Teori semacam itu, yang menjelaskan gravitasi dengan indah dalam skala besar, menimbulkan tantangan dalam mekanika kuantum, yang mengatur alam semesta pada skala terkecil.

Akibatnya, graviton diusulkan sebagai partikel yang didedikasikan untuk membawa gravitasi. Jika ada, graviton harus tidak bermassa dan bergerak dengan kecepatan cahaya – kecuali bahwa, sejauh ini, graviton belum pernah diamati di ruang angkasa.

Ketika Du menjadi peneliti postdoctoral di Columbia University pada tahun 2019, timnya menemukan fenomena eksitasi khusus dalam bahan kuantum yang membuat fisikawan teoritis berpikir itu bisa mengarah pada deteksi graviton.

Namun, persyaratan untuk melakukan eksperimen semacam itu tinggi. Sistem ini perlu ditempatkan di lemari es yang kuat di mana suhu mendekati ero, dan terkena medan magnet 100.000 kali lebih kuat dari medan magnet rata-rata Bumi.

Beberapa persyaratan bahkan bisa tampak kontradiktif. “Misalnya, kita harus memasang jendela di lemari es untuk melakukan pengukuran optik, tetapi jendela dapat menyebabkan suhu sistem [mudah naik],” kata rekan penulis makalah Liang Jiehui, dari Universitas Nanjing, kepada Xinhua.

Du berbicara dengan Xinhua tentang bekerja di fasilitas yang dikembangkan di rumah tim. “Bekerja pada minus 273,1 derajat Celcius, ‘mikroskop’ khusus seperti ini dapat menangkap eksitasi partikel selemah 10 gigahert dan menentukan putarannya,” katanya.

Para peneliti menggunakan lembaran datar semikonduktor gallium arsenide, yang ketika mengalami suhu rendah dan medan magnet menunjukkan fenomena yang disebut efek kuantum Hall.

Elektron dalam semikonduktor mulai berinteraksi satu sama lain dan bergerak dengan cara yang sangat terorganisir, seperti cairan.

Tim kemudian menyinari laser yang disetel dengan baik ke bahan untuk mempelajari potensi eksitasi elektron. Mereka menemukan elektron melakukan apa yang disebut spin kuantum tipe-2, yang hanya akan ada di graviton.

Mereka kemudian mengukur momentum dan energi elektron, dan mengkonfirmasi bukti bagi mereka untuk berperilaku dengan cara seperti graviton.

“Kami membutuhkan waktu tiga tahun untuk membangun perangkat eksperimental. Itu sangat menantang dan kami berhasil,” kata Du.

“Kami berharap dapat menggunakannya untuk melanjutkan perburuan graviton. Mudah-mudahan, ini akan mengarah pada penemuan yang lebih mutakhir di perbatasan kuantum,” kata Du.