China melaporkan rekor pendinginan atom hingga 9,7 pikokelvin di stasiun luar angkasanya

Awan atom tepat di atas nol mutlak

Para ilmuwan China telah mendinginkan awan atom rubidium di modul laboratorium Mengtian, bagian dari stasiun luar angkasa China, hingga suhu ekuivalen 9,7 pikokelvin, menurut tim peneliti. Mereka mengamati pemuaiannya selama tujuh detik. Hasil ini memadukan suhu yang sangat rendah dengan jendela pengamatan yang panjang, dua kondisi yang dapat membantu para ilmuwan mengukur gravitasi dan menyelidiki perilaku kuantum dengan lebih presisi.

Pusat Teknologi dan Rekayasa untuk Pemanfaatan Antariksa di bawah Akademi Ilmu Pengetahuan China mengumumkan pencapaian itu pada 6 November 2026. Studi berjudul Quantum gases below 10 picokelvin in space diterbitkan secara daring di Science. Pusat tersebut memimpin proyek ini bersama Universitas Peking dan Institut Optik dan Mekanika Halus Shanghai.

Tim menyebut hasil ini sebagai rekor materi buatan terdingin. Angka 9,7 pikokelvin itu kira-kira seperempat dari 38 pikokelvin yang dicapai tim Universitas Bremen pada 2021, dan kurang dari seperlima dari 52 pikokelvin yang dicapai Laboratorium Atom Dingin NASA di Stasiun Luar Angkasa Internasional pada 2022.

Satu pikokelvin adalah sepertriliun kelvin. Dengan demikian, angka baru ini setara dengan suhu 0,0000000000097 kelvin di atas nol mutlak, yaitu suhu yang setara dengan minus 273,15 derajat Celsius. Para ilmuwan menghitung suhu ekuivalen ini dari pemuaian atom yang dilepaskan, yang berlangsung sangat lambat. Suhu tersebut menggambarkan gerak awan atom yang sangat kecil di dalam peralatan.

Sekitar 400 kilometer di atas Bumi, eksperimen ini memanfaatkan lingkungan mikrogravitasi stasiun tersebut untuk melemahkan gaya yang menahan atom dan mengamatinya lebih lama daripada yang dapat dilakukan laboratorium kecil di permukaan Bumi.

Yang dimaksud ilmuwan dengan mendinginkan atom

Atom rubidium biasanya bergerak ke berbagai arah dengan kecepatan berbeda-beda. Pendinginan mengurangi gerak acak dalam sekelompok atom. Pada suhu yang sangat rendah dan kepadatan yang sesuai, atom-atom tersebut dapat membentuk kondensat Bose-Einstein, suatu keadaan ketika banyak atom memiliki keadaan kuantum yang sama dan berperilaku secara kolektif.

Kondensat memberi peneliti sistem yang lebih besar dan dapat dikendalikan untuk menyelidiki efek yang biasanya dikaitkan dengan partikel tunggal. Alih-alih berusaha mengikuti satu atom di tengah gerakan cepat, para ilmuwan dapat menyiapkan awan yang teratur, mengubah lingkungannya, lalu mengukur responsnya.

Suhu ekuivalen dalam eksperimen ini dihitung dari seberapa lambat awan tersebut menyebar setelah dilepaskan. Awan yang atom-atomnya memiliki sedikit sekali gerak relatif akan memuai dengan sangat lambat. Pengamatan terhadap pemuaian itu membantu peneliti menentukan energi yang berkaitan dengan gerak tersebut.

Nol mutlak tetap tidak dapat dicapai menurut hukum termodinamika. Tujuan praktisnya adalah mengurangi gerak atom secukupnya untuk mengungkap efek lemah dan mempertahankan kondisi eksperimen yang berguna lebih lama. Dalam eksperimen ini, pengamatan selama tujuh detik merupakan bagian utama dari pencapaian tersebut.

Mengapa tujuh detik di luar angkasa penting

Gravitasi Bumi menimbulkan dua masalah yang saling berkaitan bagi eksperimen pendinginan. Gravitasi menarik atom ke bawah saat peneliti melemahkan perangkapnya, sekaligus membatasi berapa lama awan yang dilepaskan dapat bertahan di dalam ruang pengamatan. Perangkap yang lebih lemah membantu proses pendinginan, tetapi juga makin sulit menahan atom agar tidak jatuh akibat gravitasi.

Stasiun luar angkasa dan isi laboratoriumnya sama-sama jatuh mengelilingi Bumi. Kondisi ini menghasilkan mikrogravitasi, sehingga atom dapat bertahan di dekat peralatan dengan pengekangan yang jauh lebih lemah. Dengan demikian, para ilmuwan dapat mendinginkannya lebih lanjut dan mengamati pemuaiannya lebih lama.

Wolfgang Ketterle, profesor fisika di Institut Teknologi Massachusetts dan penerima Hadiah Nobel Fisika 2001, menjelaskan skala masalah untuk eksperimen yang berlangsung tujuh detik di Bumi:

Di Bumi, benda itu akan jatuh sekitar 250 meter, sehingga benar-benar akan menghantam tanah kecuali Anda memiliki ruang vakum setinggi 250 meter,

Laboratorium yang mengorbit menyediakan kesempatan pengamatan yang lebih panjang itu dengan instrumen yang ringkas. Peneliti di Bumi mengoperasikan peralatannya dari jarak jauh, menggunakan kendali otomatis untuk menjalankan rangkaian pendinginan dengan pengaturan waktu yang cermat.

Bagaimana cahaya laser menjadi perangkap atom

Instrumen ini berisi sekitar 5 gram rubidium logam sebagai sumber atom. Prosesnya dimulai dengan memanaskan logam untuk melepaskan uap. Laser dan medan magnet kemudian menangkap dan mendinginkan awal atom-atom dari uap itu, sebelum tim memindahkannya ke perangkap yang dibentuk oleh cahaya laser.

Peneliti menggunakan dua tahap perangkap optik bersilangan. Dalam perangkap optik, berkas laser yang diatur dengan cermat menghasilkan gaya untuk menahan atom di area kecil. Mengurangi intensitas cahaya membuat perangkap lebih dangkal, sehingga atom yang lebih energik dapat lolos. Rata-rata energi atom yang tersisa pun lebih rendah; proses ini disebut pendinginan evaporatif.

Tahap akhir menggunakan pemuaian nonadiabatik, yaitu perubahan pengekangan yang terkendali sehingga awan dapat memuai dan gerak yang berkaitan dengan suhu efektifnya semakin berkurang. Secara keseluruhan, tahapan tersebut mendinginkan awan rubidium hingga di bawah 10 pikokelvin.

Mikrogravitasi juga menimbulkan kesulitan teknis: proses evaporasi dalam perangkap optik menjadi kurang efisien. Tim mengembangkan metode yang menggunakan gradien magnet tambahan, yaitu medan magnet yang kekuatannya berubah di suatu ruang, untuk membantu proses tersebut dan menghasilkan kondensat dengan kemurnian tinggi.

Perangkap optik tetap menjadi alat utama dalam tahap pendinginan lanjutan, sementara medan magnet membantu sebagian proses persiapan. Menyelaraskan fungsi-fungsi tersebut memerlukan kendali presisi atas intensitas laser, pengaturan waktu, dan gangguan dari lingkungan sekitar.

Jalur berbeda dari Stasiun Luar Angkasa Internasional

Laboratorium Atom Dingin NASA menggunakan perangkap magnetik yang dibentuk dengan keping atom, evaporasi frekuensi radio, dan teknik pendinginan akhir yang melibatkan denyut singkat. Sementara itu, tim China memilih pengekangan optik, evaporasi yang dikendalikan melalui intensitas cahaya, serta pendinginan mendalam melalui pemuaian.

Para peneliti menyatakan bahwa perangkap optik menawarkan fleksibilitas yang berguna untuk eksperimen mendatang dan mengurangi kepekaan terhadap gangguan magnetik selama pengekangan. Berbagai berkas laser juga dapat membentuk struktur yang berguna untuk simulasi kuantum, yaitu ketika sistem atom yang dapat dikendalikan mereproduksi ciri-ciri tertentu dari sistem fisik lain.

Rekor sebelumnya memberikan dua pembanding. Hasil 38 pikokelvin Bremen pada 2021 menggunakan menara jatuh untuk menghasilkan periode mikrogravitasi yang singkat. Eksperimen di Stasiun Luar Angkasa Internasional mencapai 52 pikokelvin pada 2022. Angka 9,7 pikokelvin yang dilaporkan China sekitar 3,9 kali lebih rendah daripada hasil Bremen dan sekitar 5,4 kali lebih rendah daripada hasil orbit sebelumnya.

Eksperimen baru ini memadukan pencapaian suhu tersebut dengan pengamatan pemuaian selama tujuh detik. Bagi peneliti yang menyiapkan eksperimen presisi, awan yang bergerak lambat dan dapat diamati lebih lama mungkin lebih berguna daripada rekor suhu saja.

Dari ruang laboratorium ke lemari orbital

Peralatan di Bumi menempati sekitar 20 meter kubik dan berbobot kurang lebih 10 ton. Rincian teknis menyebut lemari orbital terpadu itu berukuran sekitar 0,7 meter kubik dan berbobot 500 kilogram. Pengumuman pusat tersebut juga menyebut ukuran kurang dari satu meter kubik, bobot sekitar 300 kilogram, dan daya sekitar 700 watt; perbedaan angka bobot yang dikutip itu belum dijelaskan.

Dengan menggunakan angka teknis yang lebih terperinci, sistem orbital ini menempati sekitar satu per dua puluh sembilan volume sistem di Bumi dan memiliki seperdua puluh bobotnya. Pengurangan ukuran tersebut mengharuskan laser, optik presisi, peralatan vakum, dan kendali elektronik bekerja bersama dalam ruang yang sangat terbatas.

Para pengembang menggunakan sambungan serat optik untuk sistem laser, kendali laser presisi, vakum ultra-tinggi, elektronik otomatis, dan isolasi getaran. Vakum mengurangi benturan dengan partikel gas yang tidak diinginkan, sementara isolasi membatasi gangguan mekanis yang dapat mengacaukan awan yang rapuh itu.

Lemari tersebut juga memiliki desain modular. Peneliti dapat memilih modul eksperimen dan rangkaian waktu untuk berbagai studi, sehingga platform yang sama dapat mendukung beberapa jenis penelitian kuantum, bukan hanya satu demonstrasi pendinginan.

Terobosan penting sebelum peluncuran

Proyek ini memulai penilaian awal pada 2011, jauh sebelum peralatannya mencapai orbit. Kesulitan kritis muncul menjelang akhir 2021, ketika tim berulang kali gagal menghasilkan kondensat Bose-Einstein yang diperlukan untuk tahap pendinginan selanjutnya.

Para pengembang memperoleh tambahan waktu 10 hari untuk mengatasi masalah tersebut sebelum keputusan mengenai penyertaan instrumen dalam penerbangan yang direncanakan. Mereka menguji dan menyesuaikan perangkat keras serta perangkat lunak di seluruh sistem. Kondensat akhirnya terbentuk pada dini hari 8 Januari 2022, membuka jalan bagi langkah penting menuju peluncuran.

Tonggak-tonggak utama proyek ini berlangsung selama lebih dari satu dekade:

• 2011: Penilaian awal eksperimen atom ultra-dingin di stasiun luar angkasa dimulai.
• Akhir 2021: Kesulitan menghasilkan kondensat mengancam penyertaan instrumen dalam penerbangan yang direncanakan.
• 8 Januari 2022: Tim menghasilkan kondensat yang diperlukan setelah upaya intensif untuk mengatasi masalah.
• 2022: Fasilitas itu dibawa ke stasiun luar angkasa dengan modul laboratorium Mengtian.
• 6 November 2026: Hasil 9,7 pikokelvin diumumkan dan studi tersebut diterbitkan secara daring di Science.

Profesor Universitas Peking Zhou Xiaoji dan peneliti Institut Optik dan Mekanika Halus Shanghai Chen Weibiao termasuk di antara penulis korespondensi studi tersebut. Peneliti yang disebut sebagai penulis pertama bersama mencakup Li Tang dari institut Shanghai serta Xiong Wei dan Jin Shengjie dari Universitas Peking.

Pengukuran lebih lama dapat mengungkap efek yang lebih lemah

Interferometer atom termasuk instrumen yang dapat memperoleh manfaat dari platform baru ini. Instrumen tersebut menggunakan sifat gelombang atom dengan memisahkan dan menggabungkan kembali gelombang atom, sehingga pola yang dihasilkan menunjukkan efek seperti percepatan atau gravitasi.

Ernst M. Rasel, profesor fisika di Universitas Leibniz Hannover, Jerman, menjelaskan kondisi yang dibutuhkan instrumen tersebut:

Interferometer atom sangat diuntungkan oleh sumber yang menyediakan banyak atom dalam kumpulan ultra-dingin serta waktu pengamatan yang panjang,

Rasel menjelaskan bahwa sensitivitas interferometer meningkat sebanding dengan kuadrat waktu yang dihabiskan atom di dalam instrumen. Jika kondisi lainnya tetap sama, menggandakan waktu tersebut dapat meningkatkan respons terhadap efek yang diukur hingga empat kali lipat. Karena itu, pengamatan yang lebih lama sangat berharga untuk sinyal yang ukurannya sangat kecil.

Langkah berikutnya yang ia sebutkan adalah interferometer orbital yang gelombang atomnya tetap terpisah secara koheren selama beberapa detik. Koherensi berarti mempertahankan hubungan antara gelombang-gelombang tersebut agar dapat menghasilkan pengukuran yang berguna saat digabungkan kembali. Pengamatan awan selama tujuh detik menjadi titik awal untuk mengembangkan kemampuan itu.

Para peneliti membayangkan penerapan untuk memetakan gravitasi Bumi, navigasi, dan menentukan orbit satelit. Pengukuran gravitasi yang lebih baik juga dapat membantu melacak perubahan pada gletser dan arus laut, karena pergerakan air dan es mengubah distribusi massa Bumi.

Platform untuk eksperimen kuantum

Sistem optik ini dapat mendukung kisi optik, yaitu pola cahaya laser yang menahan atom dalam susunan menyerupai kristal. Dengan mengubah susunan dan interaksi tersebut, para peneliti dapat menyelidiki perilaku kumpulan partikel dalam kondisi yang terkendali.

Chen Weibiao menyebut transisi fase kuantum, perilaku banyak partikel kuantum yang saling berinteraksi, serta pengujian teori fisika fundamental sebagai bidang penelitian yang mungkin dilakukan. Proyek ini juga mencantumkan simulasi terkait alam semesta awal, pencarian materi gelap ultraringan, dan studi terkait model Higgs sebagai arah penelitian yang diusulkan.

Semua itu merupakan eksperimen mendatang yang memerlukan rancangan dan pengukuran tersendiri. Pencapaian saat ini adalah tersedianya sumber atom yang bergerak sangat lambat dan waktu yang lebih panjang untuk mempelajarinya. Peneliti juga melihat kemungkinan penerapan dalam sensor kuantum dan jam atom di luar angkasa.

Lü Congmin, perancang utama sistem aplikasi antariksa untuk program antariksa berawak China sekaligus wakil direktur pusat pemanfaatan antariksa, mengundang peneliti dari seluruh dunia untuk melakukan eksperimen menggunakan fasilitas tersebut dan berbagi kesempatan eksperimen. Jadwal pendaftaran maupun tanggal eksperimen lanjutan yang diusulkan belum diumumkan.

Ketterle menyebut pencapaian tersebut sebagai "titik awal yang sangat baik untuk memajukan termometri atom dan pengukuran presisi." Termometri atom, yaitu pengukuran suhu dalam sistem atom, akan tetap menjadi bagian penting dalam memahami dan menyempurnakan eksperimen semacam ini.

Poin Utama

• Tim stasiun luar angkasa China melaporkan telah mendinginkan awan atom rubidium hingga suhu ekuivalen 9,7 pikokelvin dan mengamati pemuaiannya selama tujuh detik.
• Eksperimen berlangsung di modul laboratorium Mengtian, menggunakan fasilitas yang diluncurkan pada 2022.
• Suhu yang dilaporkan lebih rendah daripada 38 pikokelvin yang dicapai di Bremen pada 2021 dan 52 pikokelvin yang dicapai di Stasiun Luar Angkasa Internasional pada 2022.
• Rangkaian pendinginan memadukan perangkap optik, pendinginan evaporatif yang dibantu gradien magnet, dan pemuaian nonadiabatik.
• Penelitian mendatang dapat mencakup simulasi kuantum, interferometer atom, pengukuran gravitasi, dan pengujian fisika fundamental.