Memajukan pengeditan gen dengan varian CRISPR / Cas9 baru - ScienceDaily
Popular

Graphene sudut ‘Ajaib’ dan penciptaan status kuantum topologi yang tak terduga – ScienceDaily


Elektron menghuni dunia yang aneh dan kacau balau. Partikel-partikel yang sangat kecil ini tidak pernah berhenti memukau dan membingungkan meskipun para ilmuwan telah mempelajarinya lebih dari satu abad. Sekarang, dalam putaran yang lebih menakjubkan, fisikawan telah menemukan bahwa, dalam kondisi tertentu, elektron yang berinteraksi dapat menciptakan apa yang disebut “keadaan topologi kuantum.” Temuan ini, yang baru-baru ini dipublikasikan di jurnal tersebut Alam, berimplikasi pada berbagai bidang kajian teknologi, khususnya teknologi informasi.

Keadaan topologis materi adalah kelas fenomena kuantum yang sangat menarik. Studi mereka menggabungkan fisika kuantum dengan topologi, yang merupakan cabang matematika teoretis yang mempelajari properti geometris yang dapat dideformasi tetapi tidak berubah secara intrinsik. Keadaan kuantum topologi pertama kali menjadi perhatian publik pada tahun 2016 ketika tiga ilmuwan – Duncan Haldane dari Princeton, yang merupakan Profesor Fisika Matematika Thomas D. Jones dari Princeton dan Profesor Fisika Universitas Sherman Fairchild, bersama dengan David Thouless dan Michael Kosterlitz – diberikan penghargaan Penghargaan Nobel untuk pekerjaan mereka dalam mengungkap peran topologi dalam material elektronik.

“Dekade terakhir telah melihat cukup banyak kegembiraan tentang keadaan kuantum topologi elektron baru,” kata Ali Yazdani, Profesor Fisika Kelas 1909 di Princeton dan penulis senior studi tersebut. “Sebagian besar dari apa yang telah kami temukan dalam dekade terakhir telah difokuskan pada bagaimana elektron mendapatkan sifat topologi ini, tanpa memikirkan tentang mereka berinteraksi satu sama lain.”

Tetapi dengan menggunakan bahan yang dikenal sebagai graphene bilayer terpuntir sudut-ajaib, Yazdani dan timnya dapat mengeksplorasi bagaimana elektron yang berinteraksi dapat menimbulkan fase materi yang mengejutkan.

Sifat luar biasa dari graphene ditemukan dua tahun lalu ketika Pablo Jarillo-Herrero dan timnya di Massachusetts Institute of Technology (MIT) menggunakannya untuk menginduksi superkonduktivitas – keadaan di mana elektron mengalir bebas tanpa hambatan. Penemuan ini segera dikenali sebagai platform material baru untuk mengeksplorasi fenomena kuantum yang tidak biasa.

Yazdani dan rekan-rekan penelitinya tertarik dengan penemuan ini dan mulai mengeksplorasi seluk-beluk superkonduktivitas.

Tapi apa yang mereka temukan menuntun mereka ke jalan yang berbeda dan tak dilalui.

“Ini adalah jalan memutar luar biasa yang muncul entah dari mana,” kata Kevin Nuckolls, penulis utama makalah dan mahasiswa pascasarjana di bidang fisika. “Itu benar-benar tidak terduga, dan sesuatu yang kami perhatikan itu akan menjadi penting.”

Mengikuti contoh Jarillo-Herrero dan timnya, Yazdani, Nuckolls, dan peneliti lain memfokuskan penyelidikan mereka pada graphene bilayer bengkok.

“Ini benar-benar bahan ajaib,” kata Nuckolls. “Ini adalah kisi atom karbon dua dimensi yang merupakan konduktor listrik hebat dan merupakan salah satu kristal terkuat yang pernah ada.”

Graphene diproduksi dengan cara yang tampak sederhana namun telaten: kristal grafit massal, grafit murni yang sama pada pensil, dikelupas menggunakan selotip untuk menghilangkan lapisan atas sampai akhirnya mencapai lapisan karbon setipis atom tunggal, dengan atom tersusun dalam pola kisi sarang lebah datar.

Untuk mendapatkan efek kuantum yang diinginkan, para peneliti Princeton, mengikuti karya Jarillo-Herrero, menempatkan dua lembar graphene di atas satu sama lain dengan lapisan atas sedikit miring. Pemutaran ini menciptakan pola moiré, yang menyerupai dan dinamai menurut desain tekstil Prancis yang umum. Poin pentingnya, bagaimanapun, adalah sudut di mana lapisan atas graphene ditempatkan: tepatnya 1,1 derajat, sudut “ajaib” yang menghasilkan efek kuantum.

“Ini benar-benar kesalahan yang aneh,” kata Nuckolls, “bahwa sudut inilah yang perlu dicapai.” Miringkan lapisan atas graphene pada 1,2 derajat, misalnya, tidak menghasilkan efek.

Para peneliti menghasilkan suhu yang sangat rendah dan menciptakan sedikit medan magnet. Mereka kemudian menggunakan mesin yang disebut mikroskop penerowongan pemindaian, yang mengandalkan teknik yang disebut “penerowongan kuantum” daripada cahaya untuk melihat dunia atom dan subatomik. Mereka mengarahkan ujung logam konduktif mikroskop pada permukaan graphene bengkok sudut-ajaib dan mampu mendeteksi tingkat energi elektron.

Mereka menemukan bahwa graphene sudut-ajaib mengubah cara elektron bergerak pada lembaran graphene. “Ini menciptakan kondisi yang memaksa elektron berada pada energi yang sama,” kata Yazdani. “Kami menyebutnya ‘pita datar’.”

Ketika elektron memiliki energi yang sama – berada dalam material pita datar – mereka berinteraksi satu sama lain dengan sangat kuat. “Interaksi ini dapat membuat elektron melakukan banyak hal eksotis,” kata Yazdani.

Salah satu hal “eksotis” ini, para peneliti menemukan, adalah penciptaan keadaan topologi yang tidak terduga dan spontan.

“Pemutaran graphene ini menciptakan kondisi yang tepat untuk menciptakan interaksi yang sangat kuat antar elektron,” jelas Yazdani. “Dan interaksi ini secara tak terduga mendukung elektron untuk mengatur diri mereka sendiri menjadi serangkaian keadaan kuantum topologis.”

Secara khusus, mereka menemukan bahwa interaksi antar elektron menciptakan apa yang disebut isolator topologi. Ini adalah perangkat unik yang bertindak sebagai isolator di interiornya, yang berarti elektron di dalamnya tidak bebas bergerak sehingga tidak menghantarkan listrik. Namun, elektron di tepinya bebas bergerak, artinya konduktif. Selain itu, karena sifat khusus topologi, elektron yang mengalir di sepanjang tepinya tidak terhambat oleh cacat atau deformasi. Mereka mengalir terus menerus dan secara efektif menghindari kendala – seperti ketidaksempurnaan kecil di permukaan material – yang biasanya menghalangi pergerakan elektron.

Selama pekerjaan itu, kelompok eksperimental Yazdani bekerja sama dengan dua orang Princeton lainnya – Andrei Bernevig, profesor fisika, dan Biao Lian, asisten profesor fisika – untuk memahami mekanisme fisik yang mendasari temuan mereka.

“Teori kami menunjukkan bahwa dua unsur penting – interaksi dan topologi – yang di alam sebagian besar tampak terpisah satu sama lain, bergabung dalam sistem ini,” kata Bernevig. Kopling ini menciptakan keadaan insulator topologi yang diamati secara eksperimental.

Meskipun bidang topologi kuantum relatif baru, bidang ini memiliki potensi besar untuk merevolusi bidang teknik kelistrikan, ilmu material, dan terutama ilmu komputer.

“Orang banyak berbicara tentang relevansinya dengan komputasi kuantum, di mana Anda dapat menggunakan status kuantum topologis ini untuk membuat jenis bit kuantum yang lebih baik,” kata Yazdani. “Motivasi untuk apa yang kami coba lakukan adalah untuk memahami bagaimana informasi kuantum dapat dikodekan di dalam fase topologi. Penelitian di bidang ini menghasilkan sains baru yang menarik dan dapat memiliki dampak potensial dalam memajukan teknologi informasi kuantum.”

Yazdani dan timnya akan melanjutkan penelitian mereka untuk memahami bagaimana interaksi elektron menimbulkan keadaan topologi yang berbeda.

“Interaksi antara topologi dan superkonduktivitas dalam sistem material ini cukup menarik dan merupakan sesuatu yang akan kami coba pahami selanjutnya,” kata Yazdani.

Dipersembahkan Oleh : Lapak Judi

Baca Juga : Lagutogel/a>