Muon sebagai Mikroskop Kuantum

Dalam era teknologi moden, penyelidikan sains tidak lagi tertumpu kepada perkara yang dapat dilihat dengan mata kasar semata-mata. Penyelidik pada masa kini berusaha memahami bagaimana atom, elektron dan zarah-zarah kecil berinteraksi pada tahap paling asas untuk menghasilkan sifat sesuatu bahan. Dunia ini dikenali sebagai dunia kuantum, iaitu suatu skala yang terlalu kecil dan kompleks untuk diterokai menggunakan kaedah biasa. Oleh itu, pelbagai teknik dibangunkan bagi membantu penyelidik memahami tingkah laku bahan pada tahap atom dan subatom. Salah satu teknik yang mendapat perhatian ialah penggunaan muon sebagai “mikroskop kuantum”.

Muon ialah zarah subatomik yang mempunyai ciri hampir sama seperti elektron tetapi memiliki jisim yang lebih besar. Zarah ini boleh terhasil secara semula jadi melalui interaksi sinar kosmik dengan atmosfera bumi. Malah, kita sebenarnya sentiasa terdedah kepada muon setiap hari apabila berada di luar, kerana ia merupakan hasil sampingan semula jadi daripada sinaran kosmik yang datang dari angkasa lepas dan berinteraksi dengan atom di lapisan atmosfera atas. Di paras laut, dianggarkan kira-kira satu muon akan melalui kawasan sebesar hujung jari manusia setiap minit. Ini bermaksud tubuh manusia sentiasa ditembusi oleh muon secara berterusan. Walau bagaimanapun, dos radiasi yang diterima daripada muon ini sangat kecil, iaitu sekitar 0.3 mSv setahun. Ini jauh lebih rendah berbanding pendedahan radiasi latar belakang semula jadi harian yang lain.

Bagi tujuan penyelidikan saintifik, muon lazimnya dihasilkan di fasiliti penyelidikan menggunakan pemecut proton berkuasa tinggi (sinkrotron). Terdapat empat fasiliti muon utama dunia yang menjadi tonggak kepada komuniti penyelidikan µSR global, iaitu Paul Scherrer Institute di Switzerland, ISIS Neutron and Muon Source di United Kingdom, Japan Proton Accelerator Research Complex di Jepun, serta TRIUMF di Kanada. Dalam penyelidikan, muon digunakan menerusi teknik yang dikenali sebagai muon spin rotation, relaxation dan resonance atau lebih dikenali sebagai µSR. Teknik µSR memanfaatkan sifat spin muon sebagai penderia (sensor) medan magnet dalaman dalam sesuatu bahan. Muon yang terpolar akan masuk ke dalam sampel bahan. Spin muon akan berinteraksi dengan medan magnet tempatan yang terhasil daripada elektron dan nuklei di sekelilingnya. Interaksi ini menyebabkan spin muon mengalami putaran pada frekuensi yang berkadar terus dengan magnitud medan magnet setempat. Apabila muon mereput, ia memancarkan positron yang arahnya berkorelasi dengan arah spin muon pada ketika itu. Dengan mengesan arah dan masa pancaran positron ini, penyelidik memperoleh maklumat terperinci tentang medan magnet dalaman bahan tersebut. Kaedah ini tidak merosakkan struktur bahan yang dikaji, menjadikannya teknik yang bersifat tidak merosakkan (non-destructive) dan sangat sesuai untuk kajian bahan sensitif. Oleh sebab muon sangat sensitif terhadap perubahan persekitaran atomik dan magnetik, ia sering dianggap sebagai “mikroskop kuantum” yang mampu melihat fenomena tersembunyi di dalam bahan yang dikaji.

Rajah 1: Mekanisme implantasi muon ke dalam sampel bahan serta interaksinya dengan persekitaran

Pada skala kuantum, zarah-zarah kecil seperti elektron tidak bergerak mengikut hukum fizik klasik semata-mata. Sebaliknya, zarah-zarah ini menunjukkan tingkah laku unik seperti superposisi, interaksi spin dan pelbagai fenomena kuantum lain yang sukar dijelaskan secara intuitif. Fenomena inilah yang menjadi asas kepada pembangunan pelbagai teknologi moden termasuk semikonduktor, komputer kuantum, sensor pintar dan bahan tenaga generasi baharu. Walau bagaimanapun, memahami fenomena kuantum bukanlah sesuatu yang mudah. Kebanyakan fenomena ini berlaku pada skala atom dan dalam tempoh masa yang sangat singkat. Oleh itu, penyelidik memerlukan teknik khas yang mampu bertindak seperti “mata” untuk melihat perubahan kecil yang berlaku di dalam bahan. Dalam konteks ini, muon menjadi alat yang sangat bernilai kerana ia boleh memasuki bahan dan memberikan maklumat tentang keadaan dalaman bahan tersebut.

Salah satu bidang yang banyak menggunakan teknik muon ialah penyelidikan superkonduktor. Superkonduktor ialah bahan yang boleh mengalirkan arus elektrik tanpa rintangan apabila berada pada suhu tertentu. Dengan menggunakan muon, penyelidik dapat memahami bagaimana elektron bergerak di dalam bahan superkonduktor serta bagaimana medan magnet mempengaruhi sifat bahan tersebut. Selain itu, teknik muon juga memainkan peranan penting dalam pembangunan bateri generasi baharu. Permintaan terhadap teknologi penyimpanan tenaga semakin meningkat, khususnya bagi kenderaan elektrik dan sistem tenaga lestari. Untuk menghasilkan bateri yang lebih cekap dan tahan lama, penyelidik perlu memahami bagaimana ion bergerak di dalam bahan bateri pada tahap atom. Teknik µSR membolehkan pergerakan ion dikaji secara terperinci sekali gus membantu pembangunan bahan bateri yang lebih baik dan berprestasi tinggi. Di samping itu, muon turut digunakan dalam kajian bahan kuantum. Bahan kuantum merujuk kepada bahan yang menunjukkan sifat unik akibat kesan kuantum seperti spin elektronik dan interaksi magnetik yang kompleks. Bahan ini semakin mendapat perhatian kerana potensinya dalam pembangunan komputer kuantum dan teknologi elektronik masa hadapan. Dengan menggunakan muon, penyelidik dapat memahami bagaimana sifat kuantum ini muncul dan bagaimana ia boleh dimanfaatkan dalam pembangunan teknologi baharu.

Teknik pengkomputeran turut memainkan peranan besar dalam penyelidikan muon moden. Pada masa kini, eksperimen muon sering digabungkan dengan teknik pengkomputeran dan pengiraan teori bagi memberikan pemahaman yang lebih menyeluruh terhadap sesuatu sistem bahan. Antara pendekatan yang banyak digunakan ialah pengiraan berasaskan Teori Fungsi Ketumpatan (Density Functional Theory). Melalui pendekatan ini, penyelidik boleh mendapatkan struktur elektronik dan sifat atomik sesuatu bahan sebelum atau selepas eksperimen dijalankan. Gabungan antara eksperimen muon dan teknik pengkomputeran membolehkan penyelidik memahami bahan dengan lebih tepat dan mendalam.

Secara keseluruhannya, muon memainkan peranan penting sebagai “mikroskop kuantum” dalam penyelidikan moden. Keupayaannya untuk mengkaji sifat bahan pada tahap atom dan subatom menjadikannya alat yang sangat bernilai dalam memahami dunia kuantum. Melalui teknik ini, penyelidik bukan sahaja dapat meneroka fenomena asas fizik moden, malah dapat membantu pembangunan teknologi masa hadapan seperti bateri pintar, superkonduktor, bahan kuantum dan sistem tenaga lestari.

Kata Kunci: Kuantum, Muon, Teori Fungsi Ketumpatan, µSR

Oleh:

Dr. Wan Nurfadhilah Binti Zaharim
wannurfadhilah@ukm.edu.my
Jabatan Sains Kimia, Fakulti Sains dan Teknologi, Universiti Kebangsaan Malaysia