Di dunia kuantum, ketika suatu fenomena tampak tidak masuk akal, para ilmuwan tak selalu bisa menemukan penjelasan yang memuaskan untuk apa yang mereka amati. Seringkali, mereka menemukan solusinya secara tidak sengaja—suatu proses yang biasanya diawali dengan kesadaran bahwa sinyal aneh tersebut bukanlah sebuah kesalahan.
Para peneliti telah lama mengetahui fenomena unik di mana suatu material yang awalnya konduktif tiba-tiba kehilangan kemampuan untuk menghantarkan listrik sama sekali. Meski fisikawan menduga elektron terlibat, mereka kesulitan menentukan mekanisme pastinya. Namun, sebuah makalah baru yang diterbitkan di Physical Review Letters berhasil mengidentifikasi pelaku—atau tepatnya, para pelaku—di balik aksi menghilang ini: sebuah gabungan partikel yang disebut sebagai polarons.
Menurut para peneliti, susunan spesifik ini menciptakan “tarian” aneh antara elektron dan atom-atom di sekitarnya yang pada akhirnya menghambat aliran listrik dalam material tersebut. Temuan ini merupakan yang pertama kalinya polarons ditemukan dalam senyawa berbasis thulium, selenium, dan telurium—logam tanah jarang yang kunci bagi fabrikasi teknologi mutakhir.
“Fakta bahwa kami berhasil membuatnya terlihat di sini untuk pertama kalinya menunjukkan fenomena-fenomena baru menarik apa saja yang masih bisa ditemukan di kosmos kuantum material,” ujar Kai Rossnagel, penulis senior studi dan ilmuwan di Institut DESY Jerman, dalam sebuah pernyataan.
Bukan Banyak, Tapi Satu
Polarons termasuk dalam keluarga benda kuantum aneh yang disebut kuasipartikel. Secara sederhana, kuasipartikel menggambarkan bagaimana, dalam kondisi tertentu, sekelompok partikel akan berperilaku kolektif layaknya satu partikel. Polarons mengkarakterisasi interaksi antara elektron dan atom, dalam kasus ini senyawa logam langka. Lapisan atom yang sedikit terdistorsi ini secara drastis memperlambat elektron, menghambat aliran elektron—yang adalah listrik.
Transisi-transisi ini “menunjukkan bahwa sifat-sifat suatu material tidak dapat dijelaskan hanya oleh komposisi kimianya saja,” catat para peneliti dalam pernyataannya. Elektron cenderung mengetahui pergerakan elektron lain di dekatnya dan akan dengan mudah bergerak bersama sebagai kuasipartikel, tambah mereka, dalam prosesnya “membentuk keadaan mirip partikel dengan properti-properti baru.”
Sebuah Puncak Kecil yang Aneh
Tim awalnya bermaksud untuk menyelidiki sifat-sifat umum senyawa berbasis thulium tersebut. Mereka melakukan berbagai pengukuran material menggunakan berbagai sumber radiasi, termasuk sinar-X intensif dari akselerator partikel. Entah mengapa, mereka terus melihat sebuah puncak kecil di sebelah sinyal utama.
Seperti biasa, mereka mengabaikannya sebagai kesalahan teknis, tetapi puncak itu tetap ada di berbagai pengukuran. Pada titik ini, para peneliti memutuskan untuk memulai penyelidikan terfokus pada sinyal tersebut—sebuah proyek yang akhirnya membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk diselesaikan.
Ketika mereka menggunakan model berusia 70 tahun, perhitungannya akhirnya masuk akal. Intinya, puncak kecil tersebut adalah produk dari elektron yang bergetar bersama dengan atom-atom senyawa logam sebagai sebuah polaron, menurut makalah tersebut.
“Itulah langkah yang menentukan,” jelas Chul-Hee Min, penulis utama studi dan seorang fisikawan di Universitas Kiel Jerman, dalam pernyataannya. “Begitu kami memasukkan interaksi ini ke dalam perhitungan, simulasi dan pengukuran cocok dengan sempurna.”
Selain itu, para fisikawan telah mengetahui bahwa banyak material kuantum modern menampilkan sifat-sifat serupa. Jika para peneliti dapat lebih baik memanfaatkan sifat-sifat elektronik aneh ini, polarons dapat mempercepat kedatangan material seperti superkonduktor suhu ruangan.