Artikel ini telah ditinjau sesuai dengan proses editorial dan kebijakan Science X. Para editor telah menyoroti atribut berikut saat memastikan kredibilitas kontennya.

Kendall Mehling, di sebelah kiri, dan Catie LeDesma, di sebelah kanan, mempresentasikan jenis baru dari "interferometer" atom di kampus CU Boulder. Kredit: Glenn Asakawa/CU Boulder

Dalam sebuah studi terbaru, para fisikawan di Universitas Colorado Boulder berhasil menggunakan awan atom yang didinginkan hingga suhu yang sangat rendah untuk mengukur akselerasi secara bersamaan dalam tiga dimensi—sebuah pencapaian yang tidak dipercaya banyak ilmuwan sebelumnya mungkin terjadi.

Perangkat ini, yang merupakan jenis baru dari "interferometer" atom, suatu hari nanti dapat membantu orang untuk menavigasi kapal selam, pesawat luar angkasa, mobil, dan kendaraan lainnya dengan lebih tepat.

"Interferometer atom tradisional hanya dapat mengukur akselerasi dalam satu dimensi, tetapi kita hidup dalam dunia tiga dimensi," kata Kendall Mehling, penulis bersama studi baru ini dan mahasiswa pascasarjana di Departemen Fisika di CU Boulder. "Untuk mengetahui ke mana saya pergi dan untuk mengetahui ke mana saya pernah pergi, saya perlu melacak akselerasi saya dalam semua tiga dimensi."

Para peneliti menerbitkan makalah mereka, berjudul "Vector atom accelerometry in an optical lattice," bulan ini di jurnal Science Advances. Tim ini terdiri dari Mehling; Catie LeDesma, peneliti pascadoktoral di bidang fisika; dan Murray Holland, profesor fisika dan anggota JILA, sebuah lembaga penelitian bersama antara CU Boulder dan National Institute of Standards and Technology (NIST).

Perangkat baru ini merupakan keajaiban rekayasa: Holland dan rekan-rekannya menggunakan enam laser sekecil rambut manusia untuk mengikat awan ribuan atom rubidium pada tempatnya. Kemudian, dengan bantuan kecerdasan buatan, mereka memanipulasi laser tersebut dalam pola yang kompleks—memungkinkan tim untuk mengukur perilaku atom saat bereaksi terhadap akselerasi kecil, seperti menekan pedal gas di mobil Anda.

Saat ini, sebagian besar kendaraan melacak akselerasi menggunakan GPS dan perangkat elektronik tradisional, atau "klasik", yang dikenal sebagai akselerometer. Meskipun perangkat kuantum ini masih jauh dari dapat bersaing dengan alat-alat tersebut, para peneliti melihat banyak janji untuk teknologi navigasi yang berbasis pada atom.

"Jika Anda meninggalkan sensor klasik di berbagai lingkungan selama bertahun-tahun, sensor tersebut akan menua dan memburuk," kata Mehling. "Pegas dalam jam Anda akan berubah dan melengkung. Atom tidak menua."

Dari kiri ke kanan, Kendall Mehling, Murray Holland, dan Catie LeDesma di lab mereka di CU Boulder. Kredit: Glenn Asakawa/CU Boulder

Jejak Gerakan

Interferometer, dalam bentuk tertentu, telah ada selama berabad-abad dan telah digunakan untuk berbagai tujuan, mulai dari mentransmisikan informasi melalui serat optik hingga mencari gelombang gravitasi, atau riak dalam struktur alam semesta.

Ide umum di balik interferometri adalah memisahkan hal-hal dan kemudian menyatukannya kembali, tidak berbeda jauh dari membuka dan menutup kembali resleting jaket.

Dalam interferometri laser, misalnya, para ilmuwan pertama-tama menyinari cahaya laser, kemudian membagi cahaya tersebut menjadi dua berkas identik yang menempuh dua jalur terpisah. Akhirnya, mereka menyatukan kembali berkas-berkas tersebut. Jika laser mengalami efek divergen sepanjang perjalanan mereka, seperti pengaruh gravitasi yang bertindak dengan cara berbeda, mereka mungkin tidak akan terintegrasi dengan sempurna saat bergabung kembali.

Dengan kata lain, resleting mungkin terjebak. Para peneliti dapat melakukan pengukuran berdasarkan bagaimana kedua berkas, yang sebelumnya identik, sekarang saling menginterferensi—sebab itulah dinamakan interferometer.

Dalam studi ini, tim mencapai prestasi yang sama, tapi dengan atom alih-alih cahaya.

Inilah cara kerjanya: Perangkat saat ini berukuran sekitar meja yang mirip dengan meja hoki udara. Pertama, para peneliti mendinginkan kumpulan atom rubidium hingga suhu hanya beberapa miliar derajat di atas nol mutlak.

Di dunia beku tersebut, atom membentuk keadaan kuantum yang misterius yang dikenal sebagai Bose-Einstein Condensate (BEC). Carl Wieman, saat itu seorang fisikawan di CU Boulder, dan Eric Cornell dari JILA meraih Hadiah Nobel pada tahun 2001 karena menciptakan BEC pertama.

Selanjutnya, tim menggunakan cahaya laser untuk mengguncang atom-atom, memisahkannya. Dalam hal ini, itu tidak berarti bahwa kelompok atom terpisah. Sebaliknya, setiap atom individu berada dalam keadaan kuantum hantu yang disebut superposisi, di mana ia dapat berada di dua tempat sekaligus.

Ketika atom-atom terpisah, "hantu" tersebut bergerak menjauh satu sama lain mengikuti dua jalur berbeda. (Dalam eksperimen saat ini, para peneliti tidak benar-benar memindahkan perangkat itu sendiri, tetapi menggunakan laser untuk mendorong atom-atom, menyebabkan akselerasi).

Kendall Mehling, di sebelah kiri, dan Catie LeDesma, di sebelah kanan, mengatakan bahwa perangkat kuantum mereka, yang saat ini muat di "meja optik" di lab, dapat diperkecil agar muat dalam kendaraan. Kredit: Glenn Asakawa/CU Boulder

"Kondensat Bose-Einstein kami adalah danau gelombang materi yang terbuat dari atom, dan kami melemparkan batu yang terbuat dari paket kecil cahaya ke dalam danau, mengirimkan riak ke kiri dan kanan," kata Holland. "Setelah riak menyebar, kami memantulkannya dan menyatukannya kembali di mana mereka berinterferensi."

Ketika atom-atom kembali bersatu, mereka membentuk pola unik, mirip dengan dua berkas cahaya laser yang menyatu, tetapi lebih kompleks. Hasilnya menyerupai cap jari di atas kaca.

"Kami dapat mendekode cap jari itu dan mengekstrak akselerasi yang dialami oleh atom-atom tersebut," kata Holland.

Perencanaan dengan Komputer

Kelompok ini menghabiskan hampir tiga tahun untuk membangun perangkat guna mencapai pencapaian ini.

"Untuk apa yang ada, perangkat eksperimental saat ini sangat kompak. Meskipun kami memiliki 18 berkas laser yang melewati sistem vakum yang berisi awan atom kami, seluruh eksperimen cukup kecil sehingga kami bisa menerapkannya di lapangan suatu hari nanti," kata LeDesma.

Salah satu kunci kesuksesan tersebut terletak pada teknik kecerdasan buatan yang disebut pembelajaran mesin. Holland menjelaskan bahwa memisahkan dan menggabungkan atom rubidium memerlukan penyesuaian dari laser melalui proses yang kompleks dan berlapis. Untuk memperlancar proses tersebut, tim melatih program komputer yang dapat merencanakan langkah-langkah tersebut sebelumnya.

Saat ini, perangkat ini hanya dapat mengukur akselerasi yang beberapa ribu kali lebih kecil dari gaya gravitasi Bumi. Teknologi yang tersedia saat ini dapat melakukan pengukuran jauh lebih baik.

Namun, kelompok ini terus meningkatkan rekayasa dan berharap untuk meningkatkan kinerja perangkat kuantum mereka berkali-kali lipat dalam beberapa tahun mendatang. Meskipun begitu, teknologi ini merupakan bukti seberapa bergunanya atom.

"Kami tidak sepenuhnya yakin tentang semua kemungkinan dampak dari penelitian ini, karena ini membuka pintu," kata Holland.

Informasi lebih lanjut: Catie LeDesma et al, Vector atom accelerometry in an optical lattice, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt7480 Jurnal informasi: Science Advances