Wednesday, 06 Nov 2024

Fisikawan Menulis Ulang Aturan Kuantum – Teori Baru Dapat Merevolusi Ilmu Material

RisalahPos
27 Jul 2024 03:15
5 minutes reading

Sebuah tim fisikawan di Trinity College Dublin telah mengembangkan teorema mekanika kuantum baru yang meningkatkan pemahaman lanskap energi dalam partikel kuantum. Penelitian mereka, yang membantu simulasi yang lebih akurat, memiliki potensi untuk memajukan material teknologi hijau.

Fisikawan di Trinity College Dublin telah memajukan mekanika kuantum, yang memungkinkan simulasi yang lebih baik dan terobosan potensial dalam teknologi hijau.

Memahami lanskap energi partikel kuantum secara tepat dapat meningkatkan secara signifikan ketepatan simulasi komputer untuk ilmu material. Simulasi ini berperan penting dalam mengembangkan material canggih untuk aplikasi dalam fisika, kimia, dan teknologi berkelanjutan. Penelitian ini menjawab pertanyaan lama dari tahun 1980-an, membuka jalan bagi terobosan di berbagai disiplin ilmu.

Sekelompok fisikawan internasional, yang dipimpin oleh para peneliti di Trinity College Dublin, telah mengembangkan teorema baru dalam mekanika kuantum yang menjelaskan “bentang alam energi” dari kumpulan partikel kuantum. Karya mereka memecahkan pertanyaan yang sudah ada sejak puluhan tahun lalu, membuka jalan bagi simulasi komputer yang lebih akurat terhadap material. Kemajuan ini dapat sangat membantu para ilmuwan dalam merancang material yang siap merevolusi teknologi ramah lingkungan.

Teorema baru ini baru saja dipublikasikan di jurnal terkemuka Surat Ulasan FisikHasilnya menggambarkan bagaimana energi sistem partikel (seperti atom, molekul, dan materi yang lebih eksotis) berubah ketika magnetisme dan jumlah partikelnya berubah. Memecahkan masalah terbuka yang penting untuk simulasi materi menggunakan komputer, ini memperluas serangkaian karya penting yang dimulai sejak awal 1980-an.

Gabungan pekerjaan pena dan kertas serta komputasi dilakukan oleh Andrew Burgess, Kandidat PhD di Sekolah Fisika Trinity, bersama dengan Dr Edward Linscott, dari Institut Paul Scherrer di Swiss, dan Dr David O’Regan, Associate Professor Fisika di Trinity.

Lanskap Energi Eksak dari Atom Oksigen

Ilustrasi bentang energi atom oksigen yang tepat, yang berbentuk lembah berubin, seperti yang dijelaskan oleh teori mekanika kuantum. Kredit: Dr. David O’Regan, Trinity College Dublin.

Peran Simulasi Komputer dalam Ilmu Material

Eksplorasi dan pemahaman molekul dan material menggunakan simulasi komputer merupakan bidang penelitian yang matang dan berkembang pesat. Bidang ini memiliki rekam jejak keberhasilan yang panjang selama beberapa dekade, dan beberapa material yang digunakan saat ini dikembangkan dengan bantuan simulasi tersebut. Saat mempelajari sistem pada tingkat atom, persamaan yang menggambarkan partikel dan interaksinya adalah persamaan mekanika kuantum.

Persamaan-persamaan ini sangat sulit, dan harus didekati untuk simulasi praktis. Seni membuat perkiraan tersebut lebih dapat diandalkan, sambil menjaga biaya komputasi tetap dapat dikelola, sudah mendekati 100%.th tahun. Pekerjaan ini semakin dipandu oleh segelintir “kondisi pasti” yang diketahui, yaitu aturan pasti dari teori kuantum, seperti yang ditemukan di sini.

David O'Regan dan Andrew Burgess

Dr. David O’Regan dan Tn. Andrew Burgess membahas pekerjaan mereka di Trinity College Dublin. Kredit: Dr. David O’Regan, Trinity College Dublin.

Menjelaskan cara memvisualisasikan apa yang ditemukan tim tersebut, Dr. David O’Regan berkata: “Bayangkan sebuah lembah dengan sisi yang curam, yang tanahnya tidak melengkung melainkan terdiri dari ubin-ubin bersudut, seperti yang mungkin Anda lihat dalam permainan arkade lama yang gambarnya dibuat menggunakan poligon.

“Kami telah menemukan bahwa profil ketinggian di lembah yang retak seperti ini menggambarkan energi yang tepat dari kumpulan partikel yang terisolasi, seperti molekul. Menuju langsung ke atas lembah sesuai dengan perubahan jumlah elektron yang menyatukan molekul, sementara bergerak ke setiap sisi meningkatkan daya magnetnya. Pekerjaan ini melengkapi pemetaan lembah ini hingga ke kondisi magnet yang tinggi, menemukan bahwa dinding lembah itu curam dan miring.”

Wawasan tentang Teorema Mekanika Kuantum

Andrew Burgess, penulis utama, menjelaskan secara lebih rinci bagaimana penemuan itu terjadi, dengan mengatakan “Saat mengerjakan masalah yang berbeda, saya perlu mengetahui bentuk lembah energi ini untuk sistem yang sederhana. Mencari melalui penelitian yang dipublikasikan, saya dapat menemukan banyak grafik yang bagus tetapi yang mengejutkan saya, grafik tersebut tidak memetakan seluruh lembah. Saya menyadari bahwa teorema mekanika kuantum yang ada dapat digunakan untuk sistem dengan satu elektron seperti hidrogen atom. Namun, untuk sistem dengan dua elektron seperti atom helium, teorema-teorema ini tidak banyak memberi tahu saya tentang sisi-sisi lembah. Secara khusus, teorema mekanika kuantum yang dikenal sebagai kondisi konstansi spin tidak lengkap.”

Dr Edward Linscott, dari Laboratorium Simulasi Material di PSI, menjelaskan pentingnya temuan tim tersebut, dengan menambahkan: “Memahami geografi lanskap energi ini mungkin tampak abstrak dan esoteris – tetapi sebenarnya, pengetahuan ini dapat membantu memecahkan berbagai macam masalah di dunia nyata. Ketika rekan-rekan kami menggunakan simulasi komputer untuk mencoba menemukan material generasi berikutnya untuk panel surya yang lebih efisien, atau katalis untuk kimia industri yang lebih hemat energi, pengetahuan kami tentang lanskap energi dapat dimasukkan ke dalam perhitungan yang mereka lakukan, sehingga prediksi mereka menjadi lebih akurat dan dapat diandalkan.”

Dr O’Regan menambahkan: “Perbedaan energi dan kemiringan bentang alam lembah ini mendukung stabilitas materi, interaksi antara materi dan cahaya, reaksi kimia, dan efek magnetik. Mengetahui seperti apa seluruh permukaan lembah, termasuk pada tingkat magnetisasi tinggi, sudah membantu kita membangun perangkat yang lebih baik untuk mensimulasikan materi kompleks, bahkan saat materi tersebut tidak bersifat magnetik.

“Yang memotivasi pekerjaan ini adalah kebutuhan untuk menyediakan teori simulasi dan metode yang lebih baik untuk mengembangkan material bagi aplikasi energi terbarukan dan kimia. Misalnya, ketika baterai sedang dikosongkan, ada atom logam yang mengubah jumlah partikel dan magnetismenya. Di sini kita melihat bahwa kita bergerak di lanskap lembah yang sama dan penurunan ketinggian itulah yang menghasilkan energi yang disediakan baterai. Ini adalah contoh simulasi terapan dan teori kuantum abstrak yang dipraktikkan secara berdampingan, yang masing-masing memotivasi dan meningkatkan satu sama lain.”

Merefleksikan sifat penelitian semacam ini, Tn. Burgess menambahkan: “Interaksi antara teori dan simulasi praktis inilah yang paling saya sukai dari bidang penelitian ini. Kami telah mengembangkan metode baru untuk memodelkan material berdasarkan teorema ini dan mengujinya pada material katode baterai, jadi masih banyak pekerjaan menarik yang akan dilakukan!”

Referensi: “Struktur Bidang Miring Energi Sistem Kuantum Terbatas” oleh Andrew C. Burgess, Edward Linscott dan David D. O’Regan, 12 Juli 2024, Surat Ulasan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.026404

Penelitian ini didanai oleh Dewan Riset Irlandia dan Yayasan Sains Nasional Swiss.



RisalahPos.com Network