BENDUNGAN JEBOL DI DALAM FLUIDA KUANTUM

Kondensat Bose–Einstein adalah gas atom yang didinginkan begitu dekat dengan nol mutlak sehingga berperilaku sebagai satu gelombang kuantum. Ia mengalir tanpa gesekan, seperti fluida sempurna — dengan satu bahan tambahan: tekanan kuantum, yang berasal dari getaran atom yang tak terhindarkan dan membuat gelombang dengan panjang berbeda merambat dengan kecepatan berbeda. Fisikawan menyebut gelombang semacam itu dispersif.

L. M. Farrell, D. H. J. O’Dell, dan rekan-rekan di McMaster University, Kanada, bersama rekan penulis di Heidelberg dan Boston, mempelajari peristiwa dahsyat paling sederhana yang bisa digelar dalam fluida semacam itu: jebolnya bendungan. Atom-atom ditahan dalam garis panjang dan tipis, sebuah penghalang memisahkan daerah yang lebih rapat dari daerah yang kurang rapat, lalu penghalang itu tiba-tiba diangkat. Simulasi mereka memakai angka realistis: 40.000 atom kalium-39, tempat bunyi merambat sekitar 1,8 milimeter per detik.

Bono kuantum

Dengan undakan kerapatan yang kecil — sekitar 4% — dua rangkaian riak meninggalkan lokasi bendungan, masing-masing ke satu arah. Di antara keduanya terbentuk dataran datar dengan kerapatan tepat di tengah-tengah kedua sisi.

Tim melihat bahwa riak-riak ini mirip bono bergelombang (undular tidal bore) yang kadang mudik menyusuri sungai: sebuah muka gelombang yang diikuti rangkaian gelombang. Dengan mengadaptasi model sederhana bono sungai yang dikembangkan fisikawan Michael Berry, mereka menurunkan rumus untuk kerapatan dan aliran yang hampir persis sesuai dengan simulasi numerik lengkap kondensat.

Dua ciri menonjol:

riak-riak itu membentuk kerucut dalam ruang dan waktu, tetapi kerucut yang terbalik: semua yang di dalam tenang, semua gelombang ada di luar;
dalam jangka panjang, bentuknya menjadi universal — integral dari fungsi Airy — dan panjang gelombangnya tumbuh hanya sebanding dengan (ℏ²t)^(1/3), lebih lambat daripada difusi dan lenyap pada limit klasik. Tingginya tetap konstan.

Peta ruang-waktu kerapatan atom setelah bendungan jebol, membentuk kerucut dengan bagian dalam yang tenang dan riak di luarnya.

Kerapatan selama 20 milidetik pertama: kedua muka gelombang (garis putus-putus bagian dalam) membuka kerucut tanpa gelombang di dalamnya, sementara undulasi melaju di luarnya. — Gambar 2, Farrell et al. (2026), arXiv:2609.32232.

Pelangi ganda dari bunyi

Fungsi Airy punya asal-usul yang terkenal: G. B. Airy merancangnya untuk menjelaskan pelangi. Ini bukan kebetulan. Dengan menelusuri “sinar” di balik riak-riak itu, para penulis menunjukkan bahwa setiap muka gelombang adalah kaustik lipatan (fold caustic), tempat dua sinar menyatu — struktur yang sama yang memusatkan cahaya matahari menjadi pelangi pada sekitar 42 derajat.

Kedua muka gelombang, saling membelakangi, mereproduksi pola sinar lengkap sebuah pelangi ganda. Di langit, daerah di antara busur primer dan sekunder tampak lebih gelap: disebut pita gelap Alexander, menurut nama Alexander dari Aphrodisias, yang membahasnya sekitar tahun 200 M, menurut makalah ini. Di dalam kondensat, daerah padanannya adalah dataran tadi, tempat tak ada gelombang bunyi yang merambat — para penulis menyebutnya “pita senyap”. Busur-busur samar tempat warna pelangi kadang berulang, yang disebut busur supernumerer, berpadanan dengan riak kuantum. Tidak seperti di langit, pita senyap melebar seiring waktu, dengan dua kali kecepatan bunyi.

Diagram sinar yang melengkung di sekitar pita senyap di tengah, di samping foto pelangi ganda, dengan profil riak di bawahnya.

Atas: sinar gelombang bendungan jebol (kiri) memiliki struktur yang sama dengan pelangi ganda dan pita gelapnya (kanan). Bawah: riak-riak untuk undakan kerapatan kecil dan besar. — Gambar 9, Farrell et al. (2026), arXiv:2609.32232.

Cakrawala bagi bunyi

Untuk beda kerapatan yang lebih besar, aliran dari sisi rapat bisa menjadi lebih cepat daripada kecepatan bunyi setempat. Gelombang bunyi lalu tak bisa lagi merambat ke hulu: fluida membentuk cakrawala sonik, analog laboratorium dari tepi lubang hitam. Dalam pendekatan yang mengabaikan tekanan kuantum, ini terjadi begitu beda kerapatan mencapai 8/9 dari kerapatan yang lebih tinggi. Cakrawala ini tidak tetap: kekuatannya, analog gravitasi permukaan lubang hitam, melemah seiring waktu. Dalam simulasi lengkap, cakrawala muncul setelah jeda singkat sekitar setengah milidetik, sebuah efek kuantum, lalu menetap di dekat bekas bendungan. Tepat pada beda kerapatan kritis, terbentuk cakrawala yang membentang di seluruh satu daerah. Bono sungai, sebaliknya, berperilaku lebih mirip versi yang dibalik waktunya, sebuah “lubang putih”.

Membuat riak terlihat

Sepengetahuan para penulis, gelombang dispersif ini belum pernah teramati pada kondensat yang mengembang bebas; riak kecil sulit dibedakan dari derau. Mereka mengusulkan dua strategi. Perkuat interaksi antaratom sebelum bendungan jebol, lalu lemahkan secara tiba-tiba saat bendungan terbuka, yang dalam simulasi memperbesar riak ke arah hulu. Atau lewati bendungan sama sekali: dorong seluruh kondensat agar bergerak di dalam perangkap berbentuk kotak, sehingga tepi-tepinya meluncurkan gelombang sejenis. Makalah ini adalah peta jalan teoretis, yang menunggu laboratorium atom dingin untuk mencobanya.