6.10 Kondensasi Bose–Einstein dan Superfluida

Beranda ／ Bab 6: Ranah kuantum

I. Fenomena dan pertanyaan kunci

Ketika gas bosonik didinginkan ekstrem, partikel tidak lagi bertindak sendiri-sendiri, melainkan menempati satu keadaan kuantum bersama — sebuah “karpet” fase yang naik-turun serempak. Tanda klasiknya: dua kondensat independen yang dilepas bersamaan membentuk garis interferensi yang jelas; fluida dalam cincin mengalir tanpa hambatan dalam waktu lama; pengadukan pelan hampir tanpa viskositas, lalu tiba-tiba muncul vorteks terkuantisasi setelah melewati ambang. Pertanyaannya: mengapa fluida sangat dingin bisa meluncur hampir tanpa gesekan; mengapa kecepatan muncul bertingkat kuantum; dan mengapa komponen “normal” dan “superfluida” dapat hidup berdampingan?

II. Bacaan menurut Teori Helaian Energi (EFT): penguncian fase, penutupan kanal, dan cacat yang terkuantisasi

Dalam Teori Helaian Energi (EFT), struktur stabil — atom atau pasangan elektron — terbentuk dari lilitan helaian; lapisan luarnya berkopel ke lautan energi (Energy Sea), sedangkan inti menjaga ritme internal. Jika spin total bilangan bulat, gerak kolektif mengikuti kaidah boson dan fase dapat dijumlahkan koheren. Saat cukup dingin, tiga hal utama terjadi:

• Penguncian fase: membentang “karpet” aliran
  Suhu lebih rendah menekan derau latar tegangan (TBN) sehingga lebih sedikit gangguan yang mengacak fase. Fase lapisan luar saling sejajar dan menjahit jejaring fase bersama skala sampel. Biaya energi untuk mengalir bersama turun tajam, seolah aliran mengikuti koridor tegangan paling mulus.
• Penutupan kanal: viskositas runtuh
  Viskositas biasa timbul ketika energi bocor ke lingkungan melalui kanal riak mikroskopik. Setelah karpet terbentuk, keteraturan kolektif menekan kanal ini: gangguan yang akan merusak koherensi dipantulkan atau dilarang. Karena itu pada penggerak kecil hambatan hampir nol; jika laju atau geser dinaikkan, karpet tak lagi utuh dan jalan disipasi baru terbuka.
• Cacat terkuantisasi: vorteks muncul
  Karpet tidak dapat dipelintir sekehendak hati. Di bawah tegangan cukup, ia “menyerah” lewat cacat topologis. Cacat baku adalah vorteks terkuantisasi: inti filamen berimpedansi rendah yang dilingkari lilitan fase 1, 2, 3 … bilangan bulat — keutuhan bilangan menjamin penutupan fase. Pembentukan serta lenyapnya vorteks menjadi jalur utama energi terbuang dari superaliran.
• Dua komponen secara alami
  Selama temperatur bukan nol mutlak, sebagian objek gagal mengunci fase. Mereka bertukar energi dengan lingkungan dan menjadi komponen normal, sedangkan karpet fase adalah komponen superfluida. Terbentuklah gambaran dua-fluida: satu membawa aliran nyaris tanpa rugi, satu lagi membawa panas dan viskositas. Semakin dingin, porsi superfluida kian besar.

Batas konsep: dalam EFT, boson ukur (seperti foton, gluon) dipandang sebagai paket gelombang yang merambat di lautan energi, sedangkan kondensasi atom berkaitan dengan penguncian fase struktur lilitan yang stabil. Keduanya bosonik, tetapi “bahan”-nya berbeda: selubung beriak versus derajat kebebasan kolektif lapisan luar.

III. Skenario representatif: dari helium ke atom ultra-dingin

• Helium superfluida
  Helium-4 menampilkan efek air mancur, merambat di dinding tanpa viskositas, dan kisi vorteks. Pandangan EFT: karpet fase menutup volume; pada penggerak lambat hampir tak membuka kanal bocor ke lautan energi sampai nukleasi vorteks dipaksa terjadi.
• Kondensat atom encer ultra-dingin
  Awan alkali dalam perangkap magneto-optik mengembun; ketika dilepas, dua kondensat independen yang saling tumpang tindih menghasilkan garis interferensi. Pandangan EFT: tepi dua karpet menyelaraskan fase; garis adalah “pola penyelarasan fase”, bukan jejak tumbukan atom tunggal.
• Perangkap cincin dan arus persisten
  Dalam cincin, sirkulasi bertahan sangat lama. Pandangan EFT: bilangan lilitan karpet tertutup terkunci; hanya penggerak di atas ambang vorteks yang melompat ke bilangan bulat berikutnya.
• Kecepatan kritis dan hambatan
  “Sendok” optik yang ditarik pelan tak meninggalkan jejak; melewati batas kecepatan tertentu muncul “jalan” vorteks dan viskositas naik. Pandangan EFT: pada penggerak kecil kanal tetap tertutup; pada penggerak besar karpet robek dan memuntahkan deret cacat yang membawa energi pergi.
• Film dua-dimensi dan pasangan vorteks
  Di 2D, vorteks berpasangan dengan anti-vorteks; pemanasan melewati titik tertentu melepaskan pasangan dan meruntuhkan keteraturan. Pandangan EFT: karpet 2D hanya menoleransi cacat berpasangan; ketika pasangan pecah, jejaring fase kolaps.

IV. Sidik jari yang dapat diamati

• Interferensi: tumpang-tindih kondensat menghasilkan garis stabil, fase bergeser sesuai beda fase global.
• Aliran nyaris tanpa viskositas: pada penggerak kecil, hubungan tekanan–debit hampir tanpa rugi dan penurunan tekanan tidak menumpuk.
• Vorteks terkuantisasi: putaran atau adukan kuat membentuk kisi vorteks; jumlahnya ~ kecepatan sudut, ukuran inti memiliki skala khas.
• Lompatan kritis: melewati ambang kecepatan memicu kenaikan mendadak disipasi dan pemanasan.
• Transport dua-komponen: aliran panas dan massa dapat terlepas; muncul modus bunyi kedua, mirip “gelombang entropi”.

V. Pencocokan dengan deskripsi baku

Bahasa baku memakai fungsi gelombang makroskopik (parameter orde) untuk karpet fase; kecepatan mengikuti gradien fase, sehingga pada kecepatan rendah tak ada pembawa energi yang mudah dieksitasi dan tidak ada disipasi. Kecepatan kritis ditentukan oleh eksitasi vorteks dan fonon. Bacaan EFT memberi gambaran lebih “berbahan”: ketika derau latar tegangan (TBN) menurun, fase mengunci menjadi jejaring; pada dorongan kecil kanal hilang-rugi tertutup; dorongan kuat membukanya dalam rupa cacat terkuantisasi. Kedua kerangka cocok pada observabel dan skala, berbeda pada penekanan: geometri-gelombang versus helaian-dan-lautan.

VI. Sebagai ringkasan

Kondensasi Bose–Einstein dan superfluida bukan “keanehan dingin ekstrem”, melainkan hasil penguncian fase yang menenun karpet lintas skala. Karpet ini menuntun aliran di koridor tegangan paling mulus dan, pada penggerak kecil, menutup jalur rugi; bila dipaksa, ia menyerah lewat vorteks terkuantisasi dan disipasi pun mulai.
Satu kalimat: penguncian fase membentang karpet dan menutup kanal; dorongan kuat memaksa cacat dan membawa disipasi.