Teori fisika rumit ini memenangi Penghargaan Nobel 2016!

Seorang fisikawan senior sedang berdiri di tengah-tengah ruangan sambil membawa satu roti pretzel, sebuah roti bagel, dan sebuah roti kayu manis. Banyak audien yang paham bahwa ketiga roti tersebut memiliki perbedaan rasa yang khas, yang satu manis khas kayu manis, yang satu asin, dan yang lainnya memiliki bentuk yang berbeda. “Namun lain jika Anda seorang ahli matematika topologi, yang hanya akan melihat satu hal menarik: yang ini tidak memiliki lubang, roti bagel punya satu lubang, dan roti pretzel memiliki dua lubang,” demikian ungkap sang fisikawan.

gettyimages-612358150

Itulah sedikit apa yang terjadi saat Profesor Thors Hans Hansson, anggota Nobel Committee for Physics, menjelaskan teori apa yang berhak mendapat Penghargaan Nobel 2016 untuk kategori Fisika pada 4 Oktober 2016 pekan lalu. Profesor Hansson berusaha menjelaskan dengan pendekatan paling mudah, mengenai “penemuan teori fase transisi topologis dan fase topologis sebuah materi.” Secara sederhana, teori yang memenangkan Nobel tersebut berbicara mengenai sebuah sifat fisika aneh dari materi superkonduktor, superfluida, dan lapisan magnet super tipis, yang didinginkan hingga sangat dingin mencapai nol absolut atau nol Kelvin atau minus 273 derajat Celcius, lalu menjelaskan fenomena tersebut menggunakan teori matematika topologi.

 photo 9C91E079-61B2-4633-BE81-3879E2BEF836.png

Teori fisika tersebut diteliti oleh tiga orang ilmuwan. Oleh karena itulah Penghargaan Nobel bidang Fisika tahun ini harus dibagi untuk ketiga ilmuwan tersebut: separuh bagian hadiah penghargaan yang mencapai US$937.000 diberikan kepada David Thouless dari University of Washington; seperempat bagian diberikan kepada Duncan Haldane dari Princeton University; dan seperempat lagi diberikan kepada Michael Kosterlitz dari Brown University.

Mereka bertiga melakukan penelitian di tahun 1970-an hingga 1980-an. Berawal dari sebuah teori yang dipercaya oleh banyak ilmuwan fisika pada saat itu, bahwa perubahan termal secara fluktuatif akan menghancurkan keteraturan dari suatu materi datar, dunia dua-dimensi (materi super tipis yang hanya berukuran panjang dan lebar tanpa tinggi/tebal), bahkan materi yang berada di suhu nol absolut. Teori inilah yang berusaha ditantang oleh Kosterlitz dan Thouless. Bersama, mereka meneliti fase transisi dari materi dunia datar (dua dimensi). Apa yang mereka temukan membawa pemahaman baru mengenai fase transisi topologis. Pemahaman ini dianggap sebagai temuan paling penting di abad 20, yang diprediksi akan berguna bagi kemajuan teknologi elektronika di masa depan.

 photo 83769BFA-FE11-4967-85FD-9CB7C8167A23.jpeg

Fase transisi topologis bukanlah fase transisi yang lazim seperti yang terjadi pada perubahan antara es dan air. Sebuah prinsip utama dari transisi topologis adalah keberadaan vortisitas kecil atau pusaran dalam jumlah bulat (sesuai dengan ilustrasi Profesor Hansson: 1, 2, 3, dst, dan tidak ada yang separuh atau bahkan seperempat), yang terbentuk pada material datar. Pada temperatur rendah, pusaran akan membentuk sebuah formasi sejajar yang rapi. Saat kenaikan temperatur terjadi, sebuah fase transisi terjadi, dimana vortisitas mulai bergerak, berpindah saling menjauhi pasangannya, dan bergerak sesuai dengan keinginannya sendiri. Satu hal yang penting adalah bahwa teori ini berlaku secara universal untuk berbagai jenis material pada dimensi kecil. Teori ini menjadikannya sangat berguna untuk diaplikasikan tidak hanya pada materi ringkas, tapi juga area fisika lain seperti fisika atomik dan statistika mekanik.

 photo 077A60CD-E9E6-4FD5-8FAF-5FA3083F75EB.jpeg

Tidak berhenti di situ saja, pada awal dekade 1980-an, secara terpisah Thouless dan Haldane menyadari perlunya teori topologi tambahan berkaitan dengan perubahan konduktifitas listrik pada material dua-dimensi. Mereka menemukan bahwa besar konduktifitas listrik sebuah material tipis dua-dimensi berubah secara bertahap secara integer (bulat: 0, 1, 2 , 3, dst), sesuai dengan perubahan besar medan magnet. Kondisi ini hanya terjadi secara bertahap, yakni jika besar medan magnet diturunkan pada nilai tertentu, maka awalnya konduktifitas listrik akan membesar mencapai dua kali lipat, lalu menjadi tiga kali lipat, lalu menjadi empat kali lipat, dan begitu seterusnya. Tahapan ini tidak bisa dijelaskan menggunakan teori fisika apapun pada saat itu, namun David Thouless berhasil memberikan solusi untuk menjelaskannya menggunakan topologi.

Ilmu topologi pada dasarnya adalah sebuah versi modern dari ilmu geometri, yang berguna untuk menjelaskan berbagai fenomena deformasi geometri modern yang tidak bisa dijabarkan oleh teori geometri klasik. Satu hal mendasar yang membedakan topologi dengan ilmu fisika geometri lainnya adalah kemampuannya menjelaskan perubahan kontinyu deformasi sebuah geometri.

Topologi berkembang menjadi salah satu sub-disiplin ilmu fisika, dimana para ilmuwan menggunakannya untuk mengembangkan jenis materi baru bagi dunia komputer, transmisi listrik, serta teknologi baterai. Bisa saja apa yang ditemukan oleh para peraih Nobel fisika ini mendorong kemajuan teknologi komputer quantum, transfer data quantum, atau sesuatu yang mungkin menjadi impian segelintir orang, ponsel pintar dengan bodi kaca tembus pandang. Karena satu hal yang pasti, bahwa teknologi ponsel kaca tersebut hanya dapat terwujud jika menggunakan prosesor quantum, atau bahkan baterai quantum yang tidak kasat mata.

Credit: Nobel Prize, Wired, Vox

Post Author: Onny Apriyahanda

"Science is the highest Art in the universe."

Leave a Reply