Mekanika kuantum mengendalikan realitas pada tingkat terkecil, namun ketika ditingkatkan skalanya, seringkali sulit untuk mengukur bagaimana dan mengapa ranah ini penting dalam dunia praktis. Meski demikian, fisikawan terkadang menemukan kegunaan praktis yang aneh untuk fenomena kuantum yang misterius, dan ketika itu terjadi, teknologi seringkali menjadi penerima manfaat terbesar. Hal inilah yang terjadi pada temuan baru terkait superradiansi—suatu aspek mekanika kuantum yang secara tradisional lebih banyak menimbulkan masalah daripada solusi.
Superradiansi adalah fenomena di mana sekelompok partikel kuantum bekerja sama untuk menghasilkan sinyal yang jauh lebih kuat. Fenomena ini tetap menjadi gangguan serius bagi beberapa fisikawan, karena dapat dengan cepat mengganggu kestabilan sistem kuantum—dan, pada gilirannya, mengganggu operasi teknologi kuantum kunci.
Namun, para peneliti dari Austria dan Jepang merancang metode novel untuk memanfaatkan superradiansi guna menghasilkan sinyal gelombang mikro yang kuat dan tahan lama. Tim melaporkan hasilnya hari ini di Nature Physics. Tim mencatat bahwa penemuan ini membuka jalan bagi kemajuan teknologi dalam bidang kedokteran, navigasi, dan komunikasi kuantum, menurut sebuah pernyataan.
“Penemuan ini mengubah cara kita memandang dunia kuantum,” kata Kae Nemoto, penulis bersama studi dan fisikawan di Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) di Jepang, dalam rilis tersebut. “Pergeseran itu membuka arah yang sama sekali baru untuk teknologi kuantum.”
Kerja sama kuantum yang dipertanyakan
Fisikawan Robert Dicke mengusulkan gagasan superradiansi pada tahun 1954. Sejak itu, fisikawan telah mengidentifikasi dan bahkan memanfaatkan superradiansi untuk berbagai sistem, termasuk semikonduktor, laser sinar-X eksperimental, dan bahkan untuk menjelaskan kekacauan di dekat semburan radio cepat dan lubang hitam.
Superradiansi biasanya terjadi ketika sekelompok atom yang tereksitasi menjadi terjerat setelah berinteraksi dengan sumber cahaya. Hal itu menghasilkan semburan cahaya yang singkat namun intens—memancarkan energi yang jauh lebih besar dari sistem dibandingkan jika satu partikel bergerak sendiri.
Tatanan dari Kekacauan
Untuk eksperimen ini, para peneliti menjebak cacat atomik kecil di dalam rongga gelombang mikro. Rongga tersebut berisi ruang kecil dengan spin elektron, yang berfungsi sebagai “magnet miniatur” untuk merepresentasikan keadaan kuantum yang berbeda. Kemudian, mereka mengamati bagaimana sistem berubah seiring waktu, menerapkan data ke simulasi komputer ekstensif untuk menggambarkan fisika yang bekerja dengan lebih baik.
Para peneliti melihat “rangkaian pulsa gelombang mikro yang sempit dan berumur panjang” yang aneh setelah semburan superradian, yang mereka selidiki lebih lanjut dalam simulasi. Mereka menemukan bahwa, yang mengejutkan, “interaksi antar spin yang tampaknya berantakan justru memicu emisi tersebut,” kata Wenzel Kersten, penulis utama studi dan fisikawan di Vienna University of Technology di Austria, dalam rilis tersebut.
“Sistem mengorganisir dirinya sendiri, menghasilkan sinyal gelombang mikro yang sangat koheren dari kekacauan yang biasanya justru menghancurkannya,” tambah Kersten.
Pembalikan Konsep
Karena superradiansi melepaskan energi yang sangat besar, para ilmuwan telah lama menduga—dan sebagian mengkonfirmasi melalui eksperimen—bahwa hal itu menciptakan tantangan teknis bagi teknologi kuantum.
Studi baru ini menggantikan pandangan tersebut, dan malah menyarankan bahwa, dengan pendekatan yang tepat, generasi berikutnya dari teknologi kuantum dapat diuntungkan dari “interaksi yang sebelumnya dianggap mengganggu perilaku kuantum,” kata Nemoto.
Misalnya, sinyal gelombang mikro yang kuat dan mandiri ini dapat membantu mengoperasikan jam ultra-akurat, tautan komunikasi, dan sistem navigasi. Sinyal-sinyal ini juga sangat sensitif terhadap perubahan sekecil apapun dalam medan magnet atau listrik, suatu fitur dengan aplikasi potensial untuk berbagai perangkat.