Para peneliti telah mencapai terobosan penting dengan berhasil mengendalikan dan mengamati gelombang Kelvin dalam helium-4 yang berada dalam keadaan superfluid. Ini menjadi langkah maju dalam memahami disipasi energi dalam sistem kuantum. Penelitian ini menghadirkan metode yang dapat dikendalikan untuk menggairahkan gelombang heliks ini, yang sebelumnya hanya bisa diamati dalam kondisi yang tidak terduga. Penemuan ini membuka peluang baru untuk menyelidiki vortisitas terkuantifikasi dan perannya dalam transfer energi di tingkat kuantum.
Eksitasi Terkendali Gelombang Kelvin
Dalam sebuah studi yang dipublikasikan, gelombang Kelvin pertama kali diidentifikasi oleh Lord Kelvin pada tahun 1880 sebagai gangguan heliks yang bergerak sepanjang garis pusaran dalam sistem superfluid. Gelombang ini memiliki peranan krusial dalam disipasi energi di cairan kuantum, namun sulit untuk diteliti karena tantangan dalam eksitasi terkontrol.
Yosuke Minowa, seorang profesor di Universitas Kyoto dan penulis utama penelitian ini, mengungkapkan bahwa kemajuan yang dicapai terasa tidak terduga. Mereka menerapkan medan listrik pada nanopartikel vortex untuk menggerakkan struktur tersebut. Gerakan berulang pada inti pusaran memaksa para peneliti untuk mengevaluasi kembali pendekatan mereka terhadap eksitasi gelombang Kelvin secara terkontrol.
Sifat Superfluid dan Vorteks Kuantum
Helium-4 superfluid menunjukkan efek kuantum pada skala makroskopik ketika didinginkan di bawah 2.17 Kelvin dan memiliki viskositas yang tidak ada, memungkinkan aliran tanpa gesekan. Keadaan unik ini menghalangi energi untuk hilang dalam bentuk panas, yang menyebabkan gelombang Kelvin muncul ketika gangguan terjadi pada garis pusaran cairan. Tim peneliti menunjukkan bahwa gelombang ini, bukannya turbulensi yang biasa, memberikan mekanisme penting bagi transfer energi dalam sistem superfluid.
Nanopartikel untuk Memantau Gelombang
Untuk melacak gerakan gelombang Kelvin, para peneliti menambahkan nanopartikel silikon ke dalam helium-4 superfluid pada suhu 1,4 Kelvin dan menggunakan laser untuk mengarahkan ke wafer silikon yang terendam. Beberapa nanopartikel terlokalisasi di inti vorteks, memungkinkan pengamatan dalam kondisi terkontrol. Dengan menerapkan medan listrik variabel, gerakan osilasi pada nanopartikel yang terjebak menghasilkan gelombang heliks di sepanjang pusaran cairan.
Serangkaian eksperimen dilakukan dengan frekuensi eksitasi yang bervariasi antara 0,8 hingga 3,0 Hertz. Sistem kamera ganda memungkinkan rekonstruksi tiga dimensi dari gerakan gelombang, yang mengonfirmasi sifat heliksnya.
Konfirmasi Eksperimental dan Penelitian Selanjutnya
Profesor Minowa menjelaskan bahwa untuk benar-benar mengidentifikasi fenomena yang diamati sebagai gelombang Kelvin, diperlukan analisis rasio dispersi, kecepatan fase, dan dinamika dalam tiga dimensi. Dengan membangun kembali gerakan pusaran secara 3D, para peneliti memberikan bukti langsung tentang gelombang tersebut, mengonfirmasi struktur heliksnya—hal yang belum pernah ditunjukkan sebelumnya secara eksperimental.
Tim penelitian juga mengembangkan model filamen vortex untuk memvalidasi temuan mereka, yang mensimulasikan eksitasi gelombang Kelvin dalam kondisi yang sama. Hasil simulasi menunjukkan bahwa osilasi yang dipaksakan pada nanopartikel menghasilkan gelombang heliks ke dua arah, sesuai dengan hasil eksperimen yang diperoleh.
Studi ini memperkenalkan pendekatan baru dalam mempelajari gelombang Kelvin di helium superfluid, memberikan wawasan mengenai mekanisme vortisitas yang terkuantifikasi. Penelitian mendatang berpotensi mengeksplorasi proses non-linear dan dekomposisi gelombang Kelvin, yang dapat meningkatkan pemahaman tentang dinamika fluida kuantum.
.