Para ilmuwan telah menemukan dua jenis gelembung elektron rendah dalam helium superfluida

Dalam sebuah studi baru, para ilmuwan dari Indian Institute of Science (IISc) telah secara eksperimental mendemonstrasikan keberadaan dua jenis gelembung elektron (FEB) dalam helium superfluida untuk pertama kalinya. FEBs dapat berfungsi sebagai model yang berguna untuk mempelajari bagaimana keadaan energi elektron dan interaksi antara mereka dalam suatu material mempengaruhi sifat-sifatnya.

Sebuah elektron disuntikkan ke dalam bentuk helium superfluida yang menciptakan gelembung elektron tunggal (SEB) – rongga yang bebas dari atom helium dan hanya berisi elektron. Bentuk gelembung tergantung pada keadaan energi elektron.

Misalnya, gelembung berbentuk bola ketika elektron berada dalam keadaan dasar (1S). Ada juga MEB – beberapa gelembung elektron yang mengandung ribuan elektron, menurut pernyataan IISc.

Di sisi lain, FEB adalah rongga berukuran nanometer dalam helium cair yang hanya berisi beberapa elektron bebas. Jumlah, keadaan, dan interaksi antara elektron bebas menentukan sifat fisik dan kimia bahan.

Oleh karena itu, mempelajari FEB dapat membantu para ilmuwan lebih memahami bagaimana beberapa sifat ini muncul ketika beberapa elektron dalam suatu bahan berinteraksi satu sama lain. Menurut penulis, memahami bagaimana FEB terbentuk juga dapat memberikan wawasan tentang perakitan mandiri bahan lunak, yang mungkin penting untuk pengembangan bahan kuantum generasi berikutnya.

Namun, sejauh ini para ilmuwan hanya memprediksi secara teoritis keberadaan FEB. “Kami sekarang telah mengamati FEB secara eksperimental untuk pertama kalinya dan memahami cara membuatnya,” kata Neha Yadav. “Ini adalah hal-hal baru yang bagus yang memiliki implikasi besar jika kita dapat membuat dan menguncinya.”

Yadav dan rekannya sedang mempelajari stabilitas MEB pada ukuran nanometer ketika mereka mengamati kebetulan FEB. Pada awalnya, mereka berdua ceria dan skeptis. “Butuh banyak eksperimen sebelum kami yakin hal-hal ini benar-benar FEB. Itu pasti momen yang sangat menarik,” kata Profesor Ghosh.

Para peneliti pertama kali menerapkan pulsa tegangan ke ujung tungsten pada permukaan helium cair. Kemudian mereka menghasilkan gelombang tekanan pada permukaan bermuatan menggunakan transduser ultrasonik. Ini memungkinkan mereka untuk membuat 8EB dan 6EB, dua jenis FEB yang masing-masing memiliki delapan dan enam elektron.

FEB ini ditemukan stabil setidaknya selama 15 milidetik (perubahan kuantitatif biasanya terjadi pada rentang waktu yang jauh lebih pendek) yang akan memungkinkan peneliti untuk membatasi dan mempelajarinya.

“FEB membentuk sistem yang menarik yang memiliki interaksi elektron-elektron dan interaksi elektron-permukaan,” kata Yadav.

Ada banyak fenomena yang FEB dapat membantu para ilmuwan menguraikan, seperti aliran turbulen dalam superfluida dan cairan kental, atau aliran panas dalam helium superfluida. Sama seperti bagaimana arus mengalir tanpa hambatan dalam bahan superkonduktor pada suhu yang sangat rendah, helium superfluida juga menghantarkan panas secara efisien pada suhu yang sangat rendah.

Tetapi cacat pada sistem, yang disebut pusaran, dapat mengurangi konduktivitas termal. Karena FEB berada di jantung pusaran ini – seperti yang ditemukan oleh penulis dalam penelitian ini – mereka dapat membantu mempelajari bagaimana pusaran berinteraksi satu sama lain serta aliran panas melalui helium superfluida.

“Dalam waktu dekat, kami ingin mengetahui apakah ada jenis FEB lain, dan untuk memahami mekanisme di mana beberapa lebih stabil daripada yang lain. Dalam jangka panjang, kami ingin menggunakan FEB sebagai simulator kuantum, untuk mana yang perlu dikembangkan jenis skema pengukuran baru, Ghosh mengumumkan.

Tim peneliti termasuk Neha Yadav, mantan mahasiswa doktoral di Departemen Fisika, Prosingit Sen, profesor di Center for Nanoscale Science and Engineering (CeNSE), dan Ambarish Ghosh, profesor di CeNSE. Studi ini dipublikasikan di kemajuan ilmu pengetahuan.