Pencetakan 3D Membantu Eksperimen Kuantum Ultradingin Menjadi Kecil


Untuk menemukan beberapa dari objek terdingin di alam semesta, Anda tidak perlu pergi lebih jauh dari universitas lokal Anda. Di sana, seorang fisikawan mungkin menggunakan sinar laser dan magnet untuk mendinginkan atom di bawah -450 Fahrenheit yang menakjubkan. Mereka mungkin menggunakan atom-atom yang sangat dingin ini untuk merasakan bahkan medan magnet terlemah di ruangan itu, atau untuk membuat jam yang akurat hingga sepersejuta detik. Tapi mereka mungkin tidak bisa membawa sensor atau jam ini di luar lab mereka, karena mereka cenderung besar dan rapuh.

Sekarang, tim fisikawan di University of Nottingham telah menunjukkan bahwa bagian-bagian pencetakan 3D untuk eksperimen kuantum ultradingin ini memungkinkan mereka mengecilkan peralatan mereka menjadi hanya sepertiga dari ukuran biasanya. Karya mereka, diterbitkan dalam jurnal Tinjauan Fisik X Quantum pada bulan Agustus, dapat membuka pintu ke cara yang lebih cepat dan lebih mudah diakses untuk membuat pengaturan eksperimen yang lebih kecil, lebih stabil, dan disesuaikan.

Karena mereka mematuhi aturan mekanika kuantum, atom yang sangat dingin menunjukkan perilaku baru dan berguna. “Atom ultra-dingin adalah teknologi kunci yang masuk ke banyak instrumen presisi yang berbeda,” kata John Kitching, fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

“Atom ultra-dingin adalah sensor waktu yang sangat baik. Mereka adalah sensor yang sangat baik dari apa yang kita sebut gaya inersia, jadi akselerasi dan rotasi. Mereka adalah sensor medan magnet yang sangat baik. Dan mereka adalah sensor vakum yang sangat baik,” tambah rekannya Stephen Eckel, yang juga tidak terlibat dalam pekerjaan tersebut.

Akibatnya, fisikawan telah lama berusaha menggunakan perangkat atom ultradingin dalam pengaturan mulai dari eksplorasi ruang angkasa, di mana mereka dapat membantu navigasi dengan merasakan perubahan dalam akselerasi kendaraan, hingga hidrologi, di mana mereka dapat menentukan air bawah tanah dengan mendeteksi tarikan gravitasinya di atas tanah. Namun, proses membuat atom cukup dingin untuk melakukan tugas-tugas ini seringkali rumit dan sulit. “Setelah menghabiskan waktu lama sebagai eksperimentalis atom dingin, saya selalu benar-benar frustrasi karena kami menghabiskan seluruh waktu kami untuk memperbaiki masalah teknis,” kata Nathan Cooper, fisikawan di University of Nottingham dan salah satu rekan penulis studi tersebut.

Kunci untuk mendinginkan dan mengendalikan atom adalah menyerang mereka dengan sinar laser yang disetel dengan baik. Atom hangat bergerak dengan kecepatan ratusan mil per jam, sementara atom yang sangat dingin hampir tidak bergerak. Fisikawan memastikan bahwa setiap kali atom hangat terkena sinar laser, cahayanya mengenai atom tersebut sedemikian rupa sehingga atom kehilangan energi, melambat, dan menjadi lebih dingin. Biasanya, mereka bekerja di atas meja berukuran 5 kali 8 kaki yang ditutupi dengan labirin cermin dan lensa — komponen optik — yang memandu dan memanipulasi cahaya saat merambat menuju jutaan atom, sering kali rubidium atau natrium, yang disimpan dalam wadah khusus. ruang vakum ultra-tinggi. Untuk mengontrol di mana semua atom ultradingin berada di ruang ini, fisikawan menggunakan magnet; ladang mereka bertindak seperti pagar.

Dibandingkan dengan akselerator partikel sepanjang mil atau teleskop besar, pengaturan eksperimental ini kecil. Namun, mereka terlalu besar dan rapuh untuk menjadi perangkat yang dapat dikomersialkan untuk digunakan di luar laboratorium akademik. Fisikawan sering menghabiskan waktu berbulan-bulan untuk menyelaraskan setiap elemen kecil dalam labirin optik mereka. Bahkan sedikit guncangan pada cermin dan lensa—sesuatu yang mungkin terjadi di lapangan—akan berarti penundaan pekerjaan yang signifikan. “Apa yang ingin kami coba dan lakukan adalah membangun sesuatu yang sangat cepat dibuat dan, semoga, beroperasi dengan andal,” kata Cooper. Jadi dia dan kolaborator beralih ke pencetakan 3D.

Eksperimen tim Nottingham ini tidak memakan satu meja—ia memiliki volume 0,15 meter kubik, yang membuatnya sedikit lebih besar dari setumpuk 10 kotak pizza besar. “Ini sangat, sangat kecil. Kami mengurangi ukurannya sekitar 70 persen, dibandingkan dengan pengaturan konvensional,” kata Somaya Madkhaly, seorang mahasiswa pascasarjana di Nottingham dan penulis pertama studi tersebut. Untuk membangunnya, dia dan rekan-rekannya terlibat dalam sesuatu seperti permainan Lego yang sangat dapat disesuaikan. Alih-alih membeli suku cadang, mereka merakit pengaturan mereka dari balok yang mereka cetak 3D untuk dibentuk persis seperti yang mereka inginkan.

Diposting oleh : joker123