Teknologi prototipe menyusut AI untuk menghadirkan fungsionalitas seperti otak dalam satu perangkat yang kuat - ScienceDaily
Offbeat

Fisikawan menangkap suara cairan yang sempurna – ScienceDaily


Bagi beberapa orang, suara “aliran yang sempurna” mungkin suara aliran sungai hutan yang lembut atau mungkin gemerincing air yang dituangkan dari kendi. Bagi fisikawan, aliran sempurna lebih spesifik, mengacu pada fluida yang mengalir dengan jumlah gesekan atau viskositas terkecil, yang diizinkan oleh hukum mekanika kuantum. Perilaku fluida sempurna semacam itu jarang terjadi di alam, tetapi diperkirakan terjadi di inti bintang neutron dan plasma pekat di alam semesta awal.

Sekarang fisikawan MIT telah menciptakan cairan yang sempurna di laboratorium, dan mendengarkan bagaimana gelombang suara melewatinya. Rekaman tersebut adalah produk glissando gelombang suara yang dikirim tim melalui gas partikel elementer yang dikontrol dengan cermat yang disebut fermion. Pitch yang dapat didengar adalah frekuensi tertentu di mana gas beresonansi seperti senar yang dipetik.

Para peneliti menganalisis ribuan gelombang suara yang berjalan melalui gas ini, untuk mengukur “difusi suaranya,” atau seberapa cepat suara menghilang dalam gas, yang terkait langsung dengan viskositas material, atau gesekan internal.

Anehnya, mereka menemukan bahwa difusi suara fluida begitu rendah sehingga dapat dijelaskan dengan jumlah gesekan “kuantum”, yang diberikan oleh konstanta alam yang dikenal sebagai konstanta Planck, dan massa fermion individu dalam fluida.

Nilai fundamental ini menegaskan bahwa gas fermion yang berinteraksi kuat berperilaku sebagai fluida sempurna, dan bersifat universal. Hasilnya, diterbitkan hari ini di jurnal Ilmu, menunjukkan untuk pertama kalinya para ilmuwan mampu mengukur difusi suara dalam cairan yang sempurna.

Para ilmuwan sekarang dapat menggunakan fluida sebagai model aliran sempurna lain yang lebih rumit, untuk memperkirakan viskositas plasma di alam semesta awal, serta gesekan kuantum dalam bintang neutron – sifat yang tidak mungkin dihitung. Para ilmuwan bahkan mungkin bisa memperkirakan suara yang mereka buat.

“Sangat sulit untuk mendengarkan bintang neutron,” kata Martin Zwierlein, Profesor Fisika Thomas A. Franck di MIT. “Tapi sekarang Anda bisa menirunya di laboratorium menggunakan atom, mengguncang sup atom itu dan mendengarkannya, dan tahu bagaimana suara bintang neutron.”

Sementara bintang neutron dan gas tim sangat berbeda dalam hal ukuran dan kecepatan perjalanan suara, dari beberapa perhitungan kasar Zwierlein memperkirakan bahwa frekuensi resonansi bintang akan serupa dengan gas, dan bahkan dapat didengar – ” jika Anda bisa menutup telinga tanpa terkoyak oleh gravitasi, “tambahnya.

Rekan penulis Zwierlein adalah penulis utama Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, dan Julian Struck dari MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Ketuk, dengarkan, pelajari

Untuk membuat cairan yang sempurna di lab, tim Zwierlein menghasilkan gas fermion yang berinteraksi kuat – partikel elementer, seperti elektron, proton, dan neutron, yang dianggap sebagai bahan penyusun semua materi. Sebuah fermion didefinisikan oleh spin setengah bilangan bulatnya, sebuah properti yang mencegah satu fermion mengambil spin yang sama dengan fermion terdekat lainnya. Sifat eksklusif inilah yang memungkinkan keragaman struktur atom ditemukan dalam tabel unsur periodik.

“Jika elektron bukanlah fermion, tetapi senang berada dalam keadaan yang sama, hidrogen, helium, dan semua atom, dan kita sendiri, akan terlihat sama, seperti sup yang mengerikan dan membosankan,” kata Zwierlein.

Fermion secara alami lebih suka berpisah satu sama lain. Tetapi ketika mereka dibuat untuk berinteraksi dengan kuat, mereka dapat berperilaku sebagai fluida sempurna, dengan viskositas yang sangat rendah. Untuk membuat cairan yang sempurna, para peneliti pertama kali menggunakan sistem laser untuk menjebak gas atom lithium-6, yang dianggap fermion.

Para peneliti dengan tepat mengonfigurasi laser untuk membentuk kotak optik di sekitar gas fermion. Laser disetel sedemikian rupa sehingga setiap kali fermion mengenai tepi kotak, mereka akan memantul kembali ke dalam gas. Juga, interaksi antara fermion dikendalikan sekuat yang diizinkan oleh mekanika kuantum, sehingga di dalam kotak, fermion harus bertabrakan satu sama lain pada setiap pertemuan. Ini membuat fermion berubah menjadi cairan sempurna.

“Kami harus membuat fluida dengan kepadatan seragam, dan hanya dengan begitu kami dapat mengetuk satu sisi, mendengarkan sisi lainnya, dan belajar darinya,” kata Zwierlein. “Sebenarnya cukup sulit untuk mencapai tempat ini di mana kita bisa menggunakan suara dengan cara yang tampaknya alami ini.”

“Mengalir dengan cara yang sempurna”

Tim kemudian mengirimkan gelombang suara melalui satu sisi kotak optik hanya dengan memvariasikan kecerahan salah satu dinding, untuk menghasilkan getaran seperti suara melalui fluida pada frekuensi tertentu. Mereka merekam ribuan snapshot fluida saat setiap gelombang suara berdesir.

“Semua foto ini bersama-sama memberi kami sonogram, dan ini mirip seperti yang dilakukan saat melakukan USG di kantor dokter,” kata Zwierlein.

Pada akhirnya, mereka dapat menyaksikan riak densitas fluida sebagai respons terhadap setiap jenis gelombang suara. Mereka kemudian mencari frekuensi suara yang menghasilkan resonansi, atau suara yang diperkuat dalam cairan, mirip dengan bernyanyi di gelas anggur dan menemukan frekuensi pecahnya.

“Kualitas resonansi memberitahu saya tentang viskositas fluida, atau difusivitas suara,” jelas Zwierlein. “Jika fluida memiliki viskositas rendah, ia dapat membangun gelombang suara yang sangat kuat dan menjadi sangat keras, jika dipukul pada frekuensi yang tepat. Jika itu adalah fluida yang sangat kental, maka ia tidak memiliki resonansi yang baik.”

Dari data mereka, para peneliti mengamati resonansi yang jelas melalui fluida, terutama pada frekuensi rendah. Dari distribusi resonansi ini, mereka menghitung difusi suara fluida. Nilai ini, mereka temukan, juga dapat dihitung dengan sangat sederhana melalui konstanta Planck dan massa fermion rata-rata dalam gas.

Ini memberi tahu para peneliti bahwa gas adalah fluida sempurna, dan bersifat fundamental: Difusi suaranya, dan karena itu viskositasnya, berada pada batas serendah mungkin yang ditetapkan oleh mekanika kuantum.

Zwierlein mengatakan selain menggunakan hasil untuk memperkirakan gesekan kuantum dalam materi yang lebih eksotis, seperti bintang neutron, hasilnya dapat membantu dalam memahami bagaimana bahan tertentu dapat dibuat untuk menunjukkan aliran superkonduktor yang sempurna.

“Pekerjaan ini menghubungkan langsung ke resistansi dalam material,” kata Zwierlein. “Setelah mengetahui hambatan terendah yang bisa Anda dapatkan dari gas, memberi tahu kami apa yang bisa terjadi dengan elektron dalam material, dan bagaimana seseorang bisa membuat material di mana elektron bisa mengalir dengan sempurna. Itu mengasyikkan.”

Riset ini didukung, sebagian, oleh National Science Foundation dan NSF Center for Ultracold Atoms, Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara, Kantor Riset Angkatan Laut, dan David and Lucile Packard Foundation.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Hongkong Prize