TANDA-TANDA PUSARAN BERMUATAN DALAM FLUIDA PASANGAN NETRAL
Dalam superfluida, partikel-partikel bergerak bersama sebagai satu gelombang kuantum; superkonduktor tipe II menghantarkan arus tanpa hambatan. Putarlah yang pertama, atau tempatkan yang kedua dalam medan magnet, dan keduanya menunjukkan satu ciri penentu: kisi vorteks terkuantisasi, pusaran-pusaran kecil yang masing-masing membawa jumlah putaran yang tetap dan tak terbagi. Dalam fluida yang terdiri atas eksiton, kisi semacam itu belum pernah teramati: eksiton tidak membawa muatan listrik.
Pasangan yang tidak membawa apa-apa
Eksiton adalah elektron yang terikat pada sebuah lubang, celah yang ditinggalkan oleh elektron yang hilang. Jika dibuat dengan cahaya, eksiton hanya hidup sebentar, dan karena netral, eksiton sulit diselidiki secara listrik. Menjaga pasangan-pasangannya tetap terpisah, elektron di satu lapisan dan lubang di lapisan lain, membuat pasangan-pasangan itu bertahan jauh lebih lama dan memungkinkan setiap lapisan dihubungkan dengan kabel secara terpisah.
Jika didinginkan cukup jauh, pasangan-pasangan semacam itu mengalami kondensasi dan berbagi satu fase kuantum — sebuah ritme bersama — di seluruh fluida, mirip dengan pasangan elektron dalam superkonduktor. Tanda-tanda kelistrikan sudah ada, tetapi, tulis para penulis, bukti yang tak ambigu tentang koherensi fase global ini tetap sulit didapat.
Ke mana muatan ekstra akan pergi
Apa yang semestinya dilakukan fluida semacam itu: dalam medan magnet yang kuat, tambahkan beberapa elektron ekstra, dan muatannya semestinya terpecah menjadi pecahan-pecahan yang menetap di inti vorteks dan antivorteks, pusaran dalam fase bersama yang berputar ke arah berlawanan. Biasanya keduanya saling memusnahkan. Di sini inti-inti bermuatannya saling tolak, dan pada 2025 dua di antara penulis, Bo Zou dan Allan MacDonald dari University of Texas at Austin, meramalkan bahwa mereka akan terkunci dalam pola sarang lebah: vorteks di satu himpunan situs, dengan muatannya di lapisan atas, antivorteks di himpunan lainnya, di lapisan bawah.
Tidak seperti vorteks dalam superkonduktor, yang membawa fluks magnet, vorteks ini membawa muatan listrik. Setiap sel sarang lebah memuat tepat satu muatan elementer, muatan satu elektron. Jadi, makin banyak muatan yang ditambahkan, makin kecil sel-selnya: luasnya menyusut berbanding terbalik dengan muatan ekstra.
Dua lembar karbon dan sebuah jarum
Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo, dan rekan-rekan di kelompok Ali Yazdani di Princeton University menumpuk dua lembar grafena setebal satu atom dengan jarak 3,2 nanometer — sekitar tiga per sejuta milimeter — dengan penghalang boron nitrida heksagonal dari National Institute for Materials Science Jepang, di bawah medan 9 tesla (tesla adalah satuan kuat medan magnet). Di sana, energi elektron mengelompok menjadi anak tangga yang disebut tingkat Landau (Landau levels). Dua tegangan menentukan seberapa penuh tingkat-tingkat itu: satu, dari sebuah gerbang di bawah lembar-lembar itu, mengatur muatan total; yang lain memindahkan muatan antarlembar. Ketika kedua lembar bersama-sama mengisi sejumlah bulat tingkat, masing-masing hanya terisi sebagian, sebuah elektron di satu lembar berpasangan dengan sebuah lubang di lembar lainnya, membentuk kondensat.
Tim itu mencitrakannya dengan mikroskop penerowongan pemindai (scanning tunnelling microscope) pada 0,2 derajat di atas nol mutlak: elektron melompat di antara ujung jarum yang tajam dan lembar atas, dan arusnya bergantung pada apa yang ada di bawahnya, termasuk muatan di inti vorteks.
Kisi yang merapat bersama muatan
Dengan beberapa elektron ditambahkan atau dikurangi, peta arus dari area bebas cacat selebar sekitar 400 nanometer memperlihatkan bintik-bintik terang yang teratur. Transformasi Fourier, perhitungan yang mengubah pola berulang menjadi puncak-puncak tajam, menghasilkan enam puncak: sebuah kisi dengan simetri lipat enam.
Ketika elektron ditambahkan, kisi itu makin rapat, jaraknya turun dari sekitar 135 nanometer pada awalnya menjadi sekitar 60, dekat dengan kurva yang diramalkan. Kisi itu berubah dari jarang menjadi tertata baik, lalu meleleh ketika lebih banyak elektron ditambahkan. Bintik-bintiknya membentuk pola segitiga alih-alih sarang lebah: ujung jarum merasakan lembar atas, tempat vorteks membawa muatan lebih banyak daripada antivorteks di bawahnya.
Uji yang tidak lolos bagi kristal elektron
Elektron-elektron yang saling tolak juga dapat membeku dengan sendirinya menjadi sebuah kisi, yaitu kristal Wigner. Kristal semacam itu di lembar atas akan memiliki jarak yang ditentukan hanya oleh muatan lembar itu. Di dekat kondensat, muatan itu nyaris tidak berubah, karena lembar bawah melindungi lembar atas dari gerbang; jarak yang terukur tetap saja berubah. Di bawah pengisian ekstra 0,17 tingkat, prediksi kristal Wigner jelas meleset dari data.
Uji penentunya: jarak kisi vorteks semestinya hanya bergantung pada muatan ekstra total, bukan pada cara kedua lembar membaginya, karena hanya muatan total yang terkopel dengan fase bersama. Tim itu menahan muatan total tetap dan memindahkan muatan antarlembar, mengubah pengisian setiap lembar hingga 30%. Kristal Wigner di lembar atas akan menggeser jaraknya sekitar 20 nanometer. Jarak yang terukur tetap sekitar 60. Hanya kontras citranya yang memudar, ketika muatan berpindah dari vorteks di lembar atas ke antivorteks di lembar bawah, tanpa memindahkan posisi mereka.
Di dekat pengisian ekstra 0,17, lembar bawah berhenti menerima muatan dan semua elektron ekstra berada di lembar atas. Di sana, jaraknya mendekati jarak kristal Wigner biasa di lembar atas: transisi yang telah diantisipasi teori.
Lubang menggambar pola yang sama, terbalik
Mengurangi elektron justru menghasilkan kisi sejenis, bahkan lebih tertata, mungkin karena daerah itu menyimpan lebih sedikit ketidakteraturan. Kontrasnya terbalik, seperti yang diharapkan jika muatan di inti berganti tanda, dan jaraknya lagi-lagi hanya mengikuti muatan ekstra total.
Apa yang dapat dikatakan sebuah gambar 400 nanometer
Dalam superkonduktor, kisi vorteks yang membentang di seluruh citra menunjukkan bahwa fluida mempertahankan fasenya setidaknya sejauh jarak itu. Di sini, kisi yang memenuhi bidang pandang menetapkan batas bawah sekitar 400 nanometer bagi jangkauan koherensi fase kondensat. Selain itu, pengisian setiap lembar dihitung dari kedua tegangan dengan model elektrostatik alih-alih diukur langsung.
Tim itu menyajikan citra-citranya sebagai bukti (evidence), kata yang ada dalam judulnya, bagi kisi yang diramalkan dan bagi koherensi fase dalam superfluida eksiton. Mikroskop yang sama kini dapat mengikuti pusaran-pusaran ini saat mereka bergerak, tersangkut pada cacat, dan meleleh, dalam superfluida yang terbuat dari elektron saja.