ROTOR SEBERAT SATU MILIGRAM, DIBUAT DIAM KARENA DIAMATI
Selama dua puluh tahun terakhir, para fisikawan telah belajar mengendalikan benda mekanis hingga mendekati batas kuantumnya — dari resonator berskala nano seberat femtogram hingga cermin-cermin multikilogram pada detektor gelombang gravitasi. Namun, hampir semuanya adalah osilator: sesuatu, seperti pegas, menarik mereka kembali ke pusat. Sistem paling sederhana dalam mekanika kuantum, partikel bebas, tanpa apa pun yang menariknya kembali, sulit dikendalikan dengan cara itu. Pada frekuensi rendah tempat gerak bebas berlangsung, gesekan dan derau dari lingkungan sekitar menenggelamkan segalanya.
Padahal, massa bebas justru diperlukan oleh beberapa pertanyaan besar: menguji apakah gravitasi bersifat kuantum, menyelidiki usulan perubahan pada mekanika kuantum, mencari gaya baru berjangkauan pendek.
Cermin pada benang kaca
Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten, dan rekan-rekan di Institute of Science and Technology Austria membuat objek ujinya: sebuah batang cermin silika lebur seberat 1 miligram, sepanjang 2 milimeter, yang tergantung pada serat silika lebur sepanjang 15 sentimeter dan setebal 1 mikrometer, dalam vakum di bawah 10⁻¹⁰ milibar. Tepatnya, ini adalah bandul torsi yang berayun bolak-balik sekali setiap 15 detik. Namun, pada skala waktu yang penting di sini, puluhan milidetik, batang itu hampir tidak merasakan tarikan tersebut: ia berperilaku sebagai benda bebas.
Isolasinya ekstrem. Tim mengukur torsi acak yang mengguncangnya dan tidak menemukan derau melebihi apa yang akan dihasilkan oleh laju redaman yang hanya 7 nanohertz. Jika digunakan sebagai akselerometer, ujung batang itu akan hampir seratus kali lebih peka daripada eksperimen terbaik sebelumnya pada massa ini.
Untuk mengamatinya, sebuah “tuas optik ganda” memantulkan dua berkas laser dari cermin itu ke arah yang berlawanan, sehingga goyangan laser itu sendiri saling meniadakan dan hanya rotasi batang yang tersisa. Berkas ketiga dapat mendorong batang itu dengan tekanan cahaya. Seluruh susunan berdiri di atas platform isolasi seismik, dan sebuah interferometer kecil dengan cermin gantungnya sendiri melacak sisa gerakan platform itu.
Pengukuran sebagai ganti perangkap
Gagasan kuncinya adalah bahwa pengukuran berkelanjutan dapat menggantikan perangkap. Jika dibiarkan, posisi dan kecepatan benda bebas menyebar dengan ketidakpastian yang makin besar. Jika diukur tanpa henti, lintasannya terungkap seiring berjalannya waktu, dan pengetahuan kita tentang keadaannya mengendap menjadi kekaburan yang stabil dan terbatas. Di sini, kekaburan itu stabil dalam sekitar 26 milidetik.
Ketidakpastian yang tersisa itu dapat diubah menjadi suhu, melalui definisi buku teks yang mengaitkan suhu dengan perubahan entropi. “Suhu entropik” ini menyatakan seberapa tajam gerakan rotor diketahui, dan memungkinkan benda bebas dibandingkan dengan osilator.
Tim memerangkap batang itu dengan cahaya, melepaskannya, dan merekam sudutnya dalam 100 rentang masing-masing 1,25 detik. Dua cara merekonstruksi keadaannya dibandingkan: perkiraan “kausal” yang hanya memakai pengukuran masa lalu, dan perkiraan “terhaluskan” (smoothed) yang juga memakai pengukuran yang dilakukan sesudahnya. Selisih keduanya memberikan cara baru untuk memeriksa seberapa baik keadaan itu benar-benar diketahui.
140 nanokelvin
- Dari data masa lalu saja, keadaan rotor setara dengan 1,2 mikrokelvin.
- Dengan penghalusan, angkanya turun menjadi 140 nanokelvin — 140 sepermiliar derajat di atas nol mutlak.
Itu sekitar dua orde besaran lebih dingin daripada eksperimen meja sebelumnya dengan benda mekanis. Para penulis mencatat bahwa hasil ini membawa sistem semacam itu ke rezim ultradingin, yang sejauh ini terutama dikaitkan dengan awan atom yang didinginkan melalui penguapan. Pendinginan umpan balik konvensional tidak mungkin mencapainya.
Ada batas bawah. Untuk tingkat isolasi ini, model memprediksi bahwa suhunya tidak dapat turun di bawah sekitar 15 nanokelvin: menurut prinsip ketidakpastian Heisenberg, mengukur posisi makin halus membuat kecepatan rotasi makin kabur.
Kegunaan massa bebas yang tenang
Dua kegunaan langsung muncul. Sejumlah teori memodifikasi mekanika kuantum sehingga kekaburan kuantum runtuh secara spontan, yang akan menambahkan getaran acak yang samar pada setiap benda. Ketenangan rotor yang terukur menyingkirkan rentang baru model-model itu pada frekuensi rendah, melengkapi batas yang ditetapkan oleh misi antariksa LISA Pathfinder.
Kegunaan kedua adalah gravitasi. Apakah gravitasi dapat menjerat (entangle) dua massa merupakan pertanyaan terbuka yang utama. Menurut ukuran kinerja (figure of merit) yang digunakan tim, dua rotor semacam ini sudah akan mengungguli sistem mana pun yang pernah didemonstrasikan dengan selisih hampir dua orde besaran dalam rasio antara menciptakan keterjeratan dan kehilangannya, meski masih jauh dari sasaran. Menurut para penulis, menambahkan rongga optik sederhana untuk membaca rotasi akan membuat kemurnian yang diperlukan berada dalam jangkauan.