Untuk pertama kalinya dalam sejarah ilmiah, tim peneliti dari Würzburg berhasil mendemonstrasikan keberadaan tornado kuantum secara eksperimental.
Fenomena ini terjadi ketika elektron membentuk pola pusaran dalam ruang momentum kuantum pada material semi-logam tantalum arsenide.
Para ilmuwan telah lama memahami bahwa elektron dapat menghasilkan vortisitas dalam material kuantum.
Namun, temuan baru ini membuktikan secara nyata bahwa partikel subatomik tersebut dapat menciptakan pola mirip tornado di ruang momentum.
Riset ini dipimpin oleh Maximilian Ünzelmann, pemimpin kelompok riset di Ct.Qmat – Kompleksitas dan Topologi dalam Materi Kuantum – yang berbasis di Universitas Würzburg dan Dresden.
Keberhasilan ini menjadi pencapaian besar dalam eksplorasi material kuantum, dengan harapan bahwa perilaku vortex elektron di ruang momentum dapat membuka jalan bagi kemajuan teknologi kuantum, seperti orbitronik.
Teknologi ini berpotensi merevolusi transmisi informasi elektronik dengan memanfaatkan torsi orbital elektron, menggantikan ketergantungan pada muatan listrik, yang dapat mengurangi kehilangan energi secara signifikan.
Ruang momentum adalah konsep fundamental dalam fisika yang menggambarkan gerakan elektron dalam hal energi dan arah, bukan lokasi fisiknya secara spesifik.
Sementara itu, ruang posisi merupakan ranah di mana fenomena seperti pusaran air dan badai biasa terjadi.
Hingga saat ini, bahkan vortisitas kuantum dalam material hanya pernah diamati dalam ruang posisi.
Beberapa tahun lalu, tim peneliti CT.QMAT lainnya menciptakan gebrakan di komunitas ilmiah dengan menangkap citra tiga dimensi pertama dari medan magnet berpola pusaran dalam ruang posisi material kuantum (Nature Nanotechnology 17 (2022) 250-255).
Delapan tahun lalu, Roderich Moessner mengemukakan teori bahwa tornado kuantum juga dapat muncul di ruang momentum.
Kala itu, salah satu pendiri CT.QMAT yang berbasis di Dresden ini menggambarkan fenomena tersebut sebagai “cincin asap” karena memiliki karakteristik serupa, yakni pola vortisitas yang melingkar.
Namun, selama bertahun-tahun, metode untuk mengukurnya masih menjadi misteri.
Percobaan terbaru berhasil mengungkap bahwa vortex kuantum terbentuk akibat momentum sudut orbital, yakni gerakan melingkar elektron mengitari inti atom.
“Ketika kami pertama kali melihat indikasi bahwa vortex kuantum yang diprediksi benar-benar ada dan dapat diukur, kami langsung berkoordinasi dengan kolega di Dresden dan memulai proyek kolaboratif,” ujar Ünzelmann.
Untuk mendeteksi tornado kuantum di ruang momentum, tim dari Würzburg mengembangkan teknik ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) atau spektroskopi fotoemisi yang diselesaikan dengan sudut.
“ARPES merupakan alat fundamental dalam fisika material padat eksperimental. Teknik ini melibatkan penyinaran cahaya ke material sampel, kemudian mengekstraksi elektron dan mengukur energi serta sudut pelepasannya. Dengan cara ini, kami dapat secara langsung mengamati struktur elektronik dalam ruang momentum,” jelas Ünzelmann.
“Dengan melakukan adaptasi yang cerdik terhadap metode ini, kami berhasil mengukur momentum sudut orbital. Saya sendiri telah menggunakan pendekatan ini sejak masa disertasi saya.”
Metode ARPES didasarkan pada efek fotoelektrik yang pertama kali dijelaskan oleh Albert Einstein dan menjadi bagian dari kurikulum fisika di tingkat sekolah menengah.
Ünzelmann telah mengembangkan teknik ini sejak 2021, yang membuatnya diakui secara internasional atas keberhasilannya mendeteksi monopole orbital dalam tantalum arsenide.
Kini, dengan mengintegrasikan bentuk tomografi kuantum, timnya membawa metode ini selangkah lebih maju untuk menangkap tornado kuantum – pencapaian besar lainnya.
“Kami menganalisis sampel lapisan demi lapisan, mirip dengan teknik pencitraan dalam dunia medis. Dengan menggabungkan gambar-gambar individual, kami berhasil merekonstruksi struktur tiga dimensi momentum sudut orbital dan mengonfirmasi keberadaan vortisitas elektron dalam ruang momentum,” pungkas Ünzelmann.
