The coldest materials in the world aren’t in Antarctica. They’re not at the top of Mount Everest or buried in a glacier. They’re in physics labs: clouds of gases held just fractions of a degree above absolute zero. That’s 395 million times colder than your refrigerator, 100 million times colder than liquid nitrogen, and 4 million times colder than outer space. Temperatures this low give scientists a window into the inner workings of matter, and allow engineers to build incredibly sensitive instruments that tell us more about everything from our exact position on the planet to what’s happening in the farthest reaches of the universe.
Materi terdingin di dunia bukan di Antartika. Mereka tidak berada di puncak Gunung Everest ataupun terkubur di dalam gletser. Namun di laboratorium fisika: kumpulan gas yang disimpan pada suhu beberapa derajat di atas nol absolut. Itu 395 juta kali lebih dingin daripada lemari es kalian, 100 juta kali lebih dingin dari nitrogen cair, dan 4 juta kali lebih dingin dari angkasa luar. Suhu ini memberi kesempatan pada peneliti untuk melihat bagian dalam materi, dan memungkinkan para peneliti membuat alat yang sangat sensitif yang dapat menjelaskan segala hal dari posisi tepat kita di planet hingga apa yang terjadi di jarak terjauh di alam semesta.
How do we create such extreme temperatures? In short, by slowing down moving particles. When we’re talking about temperature, what we’re really talking about is motion. The atoms that make up solids, liquids, and gases are moving all the time. When atoms are moving more rapidly, we perceive that matter as hot. When they’re moving more slowly, we perceive it as cold.
Bagaimana kita membuat suhu yang begitu ekstrem? Singkatnya, dengan memperlambat partikel yang sedang bergerak. Saat kita berbicara tentang suhu, sebetulnya yang kita bahas adalah gerakan. Atom yang menyusun zat padat, zat cair, dan gas selalu bergerak. Ketika atom bergerak semakin cepat, kita merasa suhunya semakin tinggi. Ketika atom bergerak lebih lambat, kita merasa suhunya semakin dingin.
To make a hot object or gas cold in everyday life, we place it in a colder environment, like a refrigerator. Some of the atomic motion in the hot object is transferred to the surroundings, and it cools down. But there’s a limit to this: even outer space is too warm to create ultra-low temperatures. So instead, scientists figured out a way to slow the atoms down directly – with a laser beam.
Untuk membuat benda panas menjadi dingin dalam kehidupan sehari-hari, kita meletakkannya di lingkungan yang lebih dingin, seperti lemari es. Beberapa pergerakan atom pada benda panas dilepaskan ke area sekitarnya, dan menjadi dingin. Tapi ada batas untuk ini: bahkan angkasa luar masih terlalu hangat untuk menciptakan suhu yang sangat rendah. Jadi, para ilmuwan menemukan cara untuk memperlambat atom secara langsung – dengan sinar laser.
Under most circumstances, the energy in a laser beam heats things up. But used in a very precise way, the beam’s momentum can stall moving atoms, cooling them down. That’s what happens in a device called a magneto-optical trap. Atoms are injected into a vacuum chamber, and a magnetic field draws them towards the center. A laser beam aimed at the middle of the chamber is tuned to just the right frequency that an atom moving towards it will absorb a photon of the laser beam and slow down. The slow down effect comes from the transfer of momentum between the atom and the photon. A total of six beams, in a perpendicular arrangement, ensure that atoms traveling in all directions will be intercepted. At the center, where the beams intersect, the atoms move sluggishly, as if trapped in a thick liquid — an effect the researchers who invented it described as “optical molasses.” A magneto-optical trap like this can cool atoms down to just a few microkelvins — about -273 degrees Celsius.
Dalam situasi normal, energi dari sinar laser memanaskan benda di sekitarnya. Tapi, jika digunakan secara tepat, momentum sinar dapat menahan pergerakan atom, dan mendinginkannya. Itu yang terjadi dalam alat yang disebut perangkap magneto-optis. Atom dimasukkan ke dalam ruang vakum, dan medan magnet menarik atom ke pusat. Cahaya laser diarahkan ke pusat diatur menjadi frekuensi tertentu sehingga atom yang bergerak ke arahnya menyerap foton dari laser dan melambat. Efek lambat ini berasal dari perpindahan momentum antara atom dan foton. Sebanyak enam sinar, dalam pengaturan yang tegak lurus, memastikan atom-atom yang bergerak ke segala arah akan dicegat. Di pusat, tempat sinar itu berpotongan, atom akan bergerak lebih lambat, seperti terjebak dalam cairan kental — efek ini disebut peneliti sebagai <i>optical molasses</i>. Jebakan magneto-optis seperti ini dapat mendinginkan atom menjadi hanya beberapa mikrokelvin — sekitar -273 derajat Celsius.
This technique was developed in the 1980s, and the scientists who'd contributed to it won the Nobel Prize in Physics in 1997 for the discovery. Since then, laser cooling has been improved to reach even lower temperatures.
Teknik ini dkembangkan di tahun 80-an, dan para ilmuwan yang berkontribusi memenangkan Hadiah Nobel di bidang Fisika pada 1997 untuk penemuan ini. Sejak itu, pendingin laser ditingkatkan hingga mencapai suhu yang lebih rendah.
But why would you want to cool atoms down that much? First of all, cold atoms can make very good detectors. With so little energy, they’re incredibly sensitive to fluctuations in the environment. So they’re used in devices that find underground oil and mineral deposits, and they also make highly accurate atomic clocks, like the ones used in global positioning satellites.
Tapi mengapa kita perlu mendinginkan atom sejauh itu? Pertama-tama, atom yang dingin akan menjadi detektor yang baik. Dengan energi yang kecil, mereka sangat sensitif dengan fluktuasi yang terjadi di lingkungan. Jadi mereka digunakan pada alat pendeteksi minyak bawah tanah dan deposit mineral, dan mereka juga membuat jam atom yang sangat akurat, seperti yang digunakan pada satelit global.
Secondly, cold atoms hold enormous potential for probing the frontiers of physics. Their extreme sensitivity makes them candidates to be used to detect gravitational waves in future space-based detectors. They’re also useful for the study of atomic and subatomic phenomena, which requires measuring incredibly tiny fluctuations in the energy of atoms. Those are drowned out at normal temperatures, when atoms speed around at hundreds of meters per second. Laser cooling can slow atoms to just a few centimeters per second— enough for the motion caused by atomic quantum effects to become obvious. Ultracold atoms have already allowed scientists to study phenomena like Bose-Einstein condensation, in which atoms are cooled almost to absolute zero and become a rare new state of matter.
Kedua, atom yang dingin memiliki potensi yang sangat besar untuk menyelidiki batas-batas fisika. Sensitivitas tinggi mereka cocok untuk mendeteksi gelombang gravitasi pada detektor di masa depan. Mereka juga berguna untuk mempelajari fenomena atomik dan subatomik, yang memerlukan pengukuran fluktuasi yang sangat kecil pada energi atom. Yang tersamar saat suhu normal, ketika atom bergerak secepat ratusan meter per detik. Laser pendingin dapat memperlambat atom menjadi beberapa sentimeter per detik— sehingga pergerakan yang disebabkan oleh efek kuantum atom menjadi jelas. Atom yang sangat dingin telah memungkinkan ilmuwan menyelidiki fenomena seperti kondensasi Bose-Einstein, saat atom didinginkan mendekati suhu nol absolut dan menjadi materi baru yang langka.
So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics and unravel the mysteries of the universe, they’ll do so with the help of the very coldest atoms in it.
Jadi, selagi peneliti meneruskan upaya untuk memahami hukum fisika dan menyingkap misteri alam semesta, mereka akan melakukannya dengan bantuan atom yang paling dingin.