JAKARTA, INDONESIA — Para fisikawan mengusulkan rancangan sensor kuantum yang berpotensi mengukur efek frame-dragging, yaitu fenomena ketika rotasi Bumi sedikit menyeret ruang-waktu di sekitarnya. Jika berhasil diwujudkan, teknologi ini dapat membantu menguji teori relativitas umum Albert Einstein melalui eksperimen laboratorium di Bumi, tanpa harus mengandalkan pengukuran berbasis satelit.
Penelitian yang melibatkan ilmuwan dari University of California, Berkeley (UC Berkeley), Austrian Academy of Sciences, dan California Institute of Technology (Caltech) tersebut mengusulkan penggunaan helium-4 superfluida sebagai komponen utama sensor rotasi berpresisi tinggi. Temuan teoretisnya diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters pada 2026.
Sensor tersebut belum terbukti berhasil mengukur frame-dragging secara eksperimental. Para peneliti masih perlu mengembangkan komponen penting yang dapat beroperasi pada suhu sangat rendah sebelum rancangan itu bisa diuji secara langsung.
Apa Itu Frame-Dragging dan Mengapa Penting?
Dalam teori relativitas umum, gravitasi tidak hanya dipahami sebagai gaya tarik antarbenda. Massa dan energi memengaruhi bentuk ruang-waktu, sedangkan benda yang berputar juga dapat menghasilkan efek yang menyeret ruang-waktu di sekitarnya.
Fenomena terakhir dikenal sebagai frame-dragging atau penyeretan kerangka acuan. Karena Bumi berotasi, ruang-waktu di dekat planet ini diperkirakan mengalami perubahan yang sangat kecil.
Efek tersebut dapat memengaruhi arah sumbu putar giroskop, sehingga menjadi salah satu cara untuk menguji prediksi relativitas umum. Pengukuran sebelumnya telah dilakukan menggunakan instrumen berbasis satelit, tetapi mendeteksi pengaruh yang sangat lemah ini membutuhkan pengamatan presisi tinggi.
Mengapa efek ini sulit diukur?
Sinyal frame-dragging dari rotasi Bumi sangat kecil dibandingkan dengan berbagai gangguan yang dapat memengaruhi instrumen. Salah satu tantangan utamanya adalah derau termal, yaitu gangguan yang berkaitan dengan energi panas dalam sistem pengukuran.
Jika gangguan tersebut terlalu besar, sinyal yang ingin diukur dapat tertutup oleh fluktuasi acak. Karena itu, para peneliti mencari pendekatan yang dapat meningkatkan sensitivitas sensor sekaligus mengurangi waktu pengukuran.
Bagaimana Sensor Kuantum Ini Bekerja?
Helium superfluida sebagai pendeteksi rotasi
Rancangan penelitian menggunakan helium-4 yang didinginkan hingga memasuki fase superfluida. Dalam keadaan ini, helium memiliki sifat kuantum yang memungkinkan cairan mengalir tanpa viskositas biasa.
Helium tersebut direncanakan ditempatkan dalam saluran berbentuk lingkaran menyerupai donat. Perubahan rotasi dapat dideteksi melalui penghalang berpori sangat kecil yang disebut sambungan Josephson.
Ketika perangkat berputar, perbedaan fase kuantum dapat muncul pada kedua sisi penghalang. Perubahan itu kemudian dapat diamati melalui gerakan diafragma mekanis yang terhubung dengan lingkaran helium.
Dengan menganalisis sinyal tersebut, peneliti berharap dapat membedakan rotasi biasa dari kontribusi sangat kecil yang ditimbulkan oleh frame-dragging Bumi.
Mengapa perangkat harus didinginkan hingga suhu ekstrem?
Helium-4 menjadi superfluida ketika suhunya berada di bawah sekitar 2,17 kelvin, setara dengan kurang lebih minus 271 derajat Celsius. Namun, menurut analisis para peneliti, sensor perlu beroperasi pada suhu yang jauh lebih rendah untuk menekan gangguan termal secara signifikan.
Sebagai contoh, penelitian tersebut mempertimbangkan pengoperasian pada suhu 10 milikelvin, atau 0,01 kelvin di atas nol mutlak. Pada kondisi ekstrem itu, sensor berpotensi mencapai sensitivitas yang diperlukan untuk mengamati efek relativistik yang sangat lemah.
Pendinginan saja bukan jaminan keberhasilan. Perangkat juga harus memiliki sambungan Josephson yang berfungsi dengan baik pada suhu milikelvin, serta mampu menghasilkan dan membaca sinyal dengan tingkat gangguan yang cukup rendah.
Berpotensi Menyaingi Pengukuran Berbasis Satelit
Analisis yang dilakukan tim peneliti menunjukkan bahwa sensor helium superfluida tersebut berpotensi menyamai atau bahkan melampaui sensitivitas sejumlah pengukuran frame-dragging terbaik sebelumnya, dengan waktu pengukuran yang lebih singkat.
Sebuah ulasan penelitian di jurnal Physics dari American Physical Society juga menjelaskan bahwa rancangan itu secara teoretis dapat mencapai ketelitian sekitar 0,2 persen. Dalam kondisi perangkat tertentu, ketelitian tersebut diperkirakan dapat dicapai dalam hitungan detik hingga menit.
Angka-angka itu merupakan perkiraan berdasarkan analisis dan karakteristik perangkat yang diusulkan, bukan hasil demonstrasi sensor yang telah selesai dibuat dan berhasil melakukan pengukuran.
Keuntungan melakukan eksperimen di Bumi
Pengukuran frame-dragging menggunakan sensor laboratorium berpotensi mengurangi ketergantungan pada misi satelit yang kompleks. Perangkat dapat dikembangkan, dikalibrasi, dan diuji dalam lingkungan eksperimen yang lebih mudah diakses dibandingkan instrumen yang harus dioperasikan di orbit.
Meski demikian, pengukuran berbasis satelit tetap memiliki peran penting. Sensor baru harus menunjukkan bahwa hasilnya dapat diandalkan dan sesuai dengan prediksi fisika sebelum dianggap sebagai alternatif yang terbukti.
Bukan Hanya Menguji Teori Einstein
Sensor yang diusulkan juga berpotensi membuka cara baru untuk menyelidiki hubungan antara gravitasi, waktu, dan fenomena kuantum.
Para peneliti memperkirakan perubahan pada sistem helium dapat membawa informasi tentang perbedaan waktu yang sangat kecil di sepanjang jalur berbeda dalam perangkat. Jika kemampuan ini dapat direalisasikan, eksperimen tersebut mungkin membantu mempelajari aspek relativitas umum dan fenomena yang berkaitan dengan gravitasi kuantum.
Gravitasi kuantum merupakan bidang penelitian yang berusaha memahami gravitasi melalui kerangka teori kuantum. Sampai saat ini, belum ada teori gravitasi kuantum yang teruji secara lengkap dan diterima secara luas.
Penting untuk digarisbawahi bahwa sensor ini belum membuktikan keberadaan efek baru di luar teori Einstein. Kemungkinan menemukan fenomena fisika baru masih berupa arah penelitian yang ingin dieksplorasi apabila sensitivitas perangkat dapat ditingkatkan.
Tahap Berikutnya: Mewujudkan Sensor di Laboratorium
Tim peneliti merencanakan studi lanjutan untuk menguji kelayakan rancangan tersebut. Salah satu tantangan utama adalah membuat sambungan Josephson untuk helium-4 superfluida yang dapat bekerja pada suhu milikelvin.
Pekerjaan pengembangan terkait dilaporkan sedang dilakukan di laboratorium Caltech. Setelah komponen tersebut tersedia, para peneliti perlu menguji kestabilan sistem, mengukur derau, serta memastikan sinyal yang diamati benar-benar dapat dibedakan dari gangguan lain.
Keberhasilan tahap ini akan menentukan apakah sensor yang saat ini masih berupa proposal teoretis dapat menjadi instrumen pengukuran yang berfungsi.
Relevansi bagi Penelitian Fisika di Indonesia
Riset ini menunjukkan pentingnya pengembangan instrumen presisi tinggi dalam fisika fundamental. Bagi komunitas sains Indonesia, penelitian semacam ini dapat menjadi bahan pembelajaran mengenai relativitas umum, teknologi kuantum, kriogenika, dan metode pengukuran dengan sensitivitas ekstrem.
Universitas dan lembaga riset dapat mengikuti perkembangan teknologi tersebut melalui publikasi ilmiah, kolaborasi internasional, serta pengembangan keahlian di bidang instrumentasi dan fisika kuantum.
Namun, sensor helium superfluida pada suhu milikelvin masih menghadapi tantangan teknis yang besar. Manfaat praktisnya untuk penelitian di Indonesia akan bergantung pada perkembangan eksperimen, ketersediaan fasilitas, dan peluang kolaborasi ilmiah pada masa mendatang.
Kesimpulan
Sensor kuantum berbasis helium-4 superfluida berpotensi menawarkan cara baru untuk mengukur frame-dragging akibat rotasi Bumi. Dengan mengurangi gangguan termal dan memanfaatkan perubahan fase kuantum, rancangan ini dapat membantu menguji relativitas umum melalui eksperimen laboratorium.
Meski prospeknya menjanjikan, teknologi tersebut masih berada pada tahap pengembangan. Pengujian eksperimental dan pembuktian sensitivitasnya akan menjadi langkah penentu sebelum sensor ini dapat digunakan untuk mengukur efek penyeretan ruang-waktu secara langsung.
Comment