Pernahkah Anda membayangkan bahwa ada bentuk materi yang tidak dapat dijelaskan oleh tiga keadaan tradisional: padat, cair, atau gas? Penemuan terbaru dari para ilmuwan bisa jadi mengubah cara kita berpikir tentang dunia di sekitar kita!

Ilmuwan telah menemukan cara baru materi dapat ada - yang berbeda dari keadaan biasa dan terletak pada antarmuka dua bahan eksotis yang disusun seperti sandwich. Sebuah keadaan quantum baru, yang disebut sebagai kuantum cair kristal, tampaknya mengikuti aturannya sendiri dan menawarkan karakteristik yang bisa membuka jalan bagi aplikasi teknologi canggih di masa depan.

Dalam laporan yang dimuat di jurnal Science Advances, tim peneliti yang dipimpin oleh Rutgers menjelaskan eksperimen yang berfokus pada interaksi antara bahan konduktor yang disebut Weyl semimetal dan bahan magnet isolator yang dikenal sebagai es spin, ketika kedua bahan tersebut dikenakan medan magnet yang sangat tinggi. Masing-masing bahan secara individu dikenal karena sifat unik dan kompleksnya.

“Meskipun setiap bahan telah diteliti secara mendalam, interaksi mereka di batas ini tetap sepenuhnya belum dieksplorasi,” kata Tsung-Chi Wu, yang baru saja meraih gelar doktor dari program pascasarjana fisika dan astronomi Rutgers dan merupakan penulis utama studi ini. “Kami mengamati fase kuantum baru yang muncul hanya ketika kedua bahan ini berinteraksi. Ini menciptakan keadaan topologi kuantum baru dari materi di medan magnet tinggi, yang sebelumnya tidak diketahui.”

Tim ini menemukan bahwa di antarmuka kedua bahan tersebut, sifat elektron dari Weyl semimetal dipengaruhi oleh sifat magnet dari es spin. Interaksi ini menyebabkan fenomena langka yang disebut anisotropi elektronik di mana materi menghantarkan listrik dengan cara yang berbeda dalam arah yang berbeda. Dalam lingkaran 360 derajat, mereka menemukan bahwa konduktivitas terendah terjadi pada enam arah tertentu. Menariknya, ketika medan magnet meningkat, elektron tiba-tiba mulai mengalir ke dua arah yang berlawanan.

Penemuan ini konsisten dengan karakteristik yang terlihat dalam fenomena kuantum yang dikenal sebagai patahan simetri rotasi dan menunjukkan terjadinya fase kuantum baru pada medan magnet tinggi.

Temuan ini signifikan karena mereka mengungkapkan cara baru dalam mana sifat-sifat material dapat dikendalikan dan dimanipulasi, kata Wu. Dengan memahami bagaimana elektron bergerak dalam bahan khusus ini, para ilmuwan berpotensi dapat merancang generasi baru sensor kuantum ultra-sensitif terhadap medan magnet yang bekerja paling baik dalam kondisi ekstrem - seperti di luar angkasa atau di dalam mesin yang sangat kuat.

Weyl semimetals adalah bahan yang memungkinkan listrik mengalir dengan cara yang tidak biasa dengan kecepatan sangat tinggi dan kehilangan energi nol berkat partikel quasi-relativistik khusus yang disebut Weyl fermions. Di sisi lain, es spin adalah bahan magnet di mana momen magnet (medan magnet kecil di dalam material) diatur sedemikian rupa sehingga menyerupai posisi atom hidrogen dalam es. Ketika kedua bahan ini digabungkan, mereka menciptakan heterostruktur yang terdiri dari lapisan atom bahan yang berbeda.

Para ilmuwan telah menemukan bahwa keadaan baru materi muncul di bawah kondisi ekstrem, termasuk suhu yang sangat rendah, tekanan tinggi, atau medan magnet tinggi, dan berperilaku dengan cara yang aneh dan menarik. Eksperimen seperti yang dipimpin Rutgers ini dapat mengarah pada pemahaman fundamental baru tentang materi melampaui empat keadaan materi yang terjadi secara alami, menurut Wu.

“Ini baru permulaan," kata Wu. "Ada banyak kemungkinan untuk mengeksplorasi bahan kuantum baru dan interaksinya ketika dikombinasikan menjadi heterostruktur. Kami berharap karya kami juga akan menginspirasi komunitas fisika untuk mengeksplorasi perbatasan baru yang menarik ini.”

Penelepan ini dilakukan dengan kombinasi teknik eksperimen yang dipimpin oleh Jak Chakhalian, Profesor Eksperimental Fisika yang diangkat oleh Claud Lovelace di Departemen Fisika dan Astronomi, serta co-author studi ini. Pekerjaan ini didukung secara teoritis oleh Jedediah Pixley, seorang profesor asosiasi di Departemen Fisika dan Astronomi, juga co-author studi ini.

“Kolaborasi eksperimen-teori adalah apa yang benar-benar memungkinkan pekerjaan ini,” kata Wu. “Kami membutuhkan waktu lebih dari dua tahun untuk memahami hasil percobaan. Kredit diberikan kepada pemodelan teoritis yang mutakhir dan perhitungan yang dilakukan oleh kelompok Pixley, khususnya Jed Pixley dan Yueqing Chang, seorang peneliti postdoctoral. Kami terus melanjutkan kolaborasi ini untuk mendorong perbatasan bidang sebagai tim Rutgers.”

Kebanyakan eksperimen dilakukan di National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) di Tallahassee, Florida, yang menyediakan kondisi unik untuk mempelajari bahan ini pada suhu ultra-rendah dan medan magnet tinggi.

“Kami harus memulai kolaborasi dan melakukan perjalanan ke MagLab berkali-kali untuk melakukan eksperimen ini, setiap kali memperbaiki ide dan metode,” kata Wu. “Suhu ultra-rendah dan medan magnet tinggi sangat penting untuk mengamati fenomena baru ini.”

Penelitian ini membangun pada penelitian sebelumnya yang dipimpin Rutgers yang diterbitkan lebih awal tahun ini oleh Chakhalian, Mikhail Kareev, Wu, dan fisikawan lainnya. Laporan tersebut menjelaskan bagaimana empat tahun eksperimen berkelanjutan mengarah pada metode baru untuk merancang dan membangun struktur unik setebal atom yang terdiri dari Weyl semimetal dan es spin. Heterostruktur kuantum ini begitu sulit dibuat, sehingga para ilmuwan mengembangkan mesin untuk membuatnya: Q-DiP, singkatan dari platform penemuan fenomena kuantum.

“Dalam makalah itu, kami menjelaskan bagaimana kami membuat heterostruktur,” kata Chakhalian. “Makalah baru di Science Advances ini adalah tentang apa yang bisa dilakukannya.”

Selain Chakhalian, Wu, Chang, dan Pixley, peneliti Rutgers yang terlibat dalam studi ini termasuk Ang-Kun Wu, Michael Terilli, Fangdi Wen, dan Mikhail Kareev.