Fase Materi yang Misterius: Memahami Kaca dalam Dimensi Tak Terbatas

Lihatlah sebuah kristal dengan kaca pembesar dan Anda akan menemukan susunan atom yang teratur. Tapi coba perbesar lagi, dan gambarnya terlihat agak berantakan - lebih mirip tumpukan pasir acak.

Sifat kristal yang sangat teratur membuat mereka cukup mudah dipahami secara matematis, dan fisikawan telah mengembangkan teori yang menangkap segala macam sifat kristal, dari bagaimana mereka menyerap panas pada apa yang terjadi saat mereka pecah.

Tapi hal yang sama tidak berlaku untuk bahan kaca, amorf atau "tidak teratur" seperti kaca di jendela dan vas, makanan beku, dan jenis plastik tertentu. Tidak ada teori yang disepakati secara luas untuk menjelaskan perilaku fisik mereka.

Selama hampir 30 tahun, fisikawan telah memperdebatkan apakah transisi fase misterius yang hadir dalam model teoritis dari materi yang tidak teratur. Dengan bantuan beberapa sihir matematika yang dipinjam dari fisika partikel - ditambah lusinan halaman perhitungan aljabar, semua dilakukan oleh para ahli postdoctoral Duke University Sho Yaida.

Pandangan Yaida membuka kemungkinan bahwa beberapa jenis kaca mungkin dalam keadaan baru pada suhu rendah, yang mempengaruhi bagaimana mereka merespons panas, suara dan tekanan, dan bagaimana dan kapan mereka pecah.

Karena membingungkan, menurut Charbonneau, matematika di balik kacamata dan sistem tak teratur lainnya sebenarnya lebih mudah dipecahkan dengan mengasumsikan bahwa materi ini ada di alam semesta berdimensi hipotetis tak terbatas. Dalam dimensi tak terbatas, sifat mereka dapat dihitung dengan relatif mudah - seperti bagaimana sifat kristal dapat dihitung untuk alam semesta tiga dimensi kita.

"Pertanyaannya adalah apakah model ini memiliki relevansi dengan dunia nyata." Kata Charbonneau Bagi periset yang melakukan perhitungan ini, "pertaruhannya adalah, saat Anda mengubah dimensi, segalanya berubah sehingga Anda dapat melihat bagaimana kinerjanya berubah dari jumlah dimensi menjadi tiga," katanya.

Salah satu fitur dari perhitungan dimensi tak terbatas ini adalah adanya transisi fase - yang disebut "transisi Gardner" setelah perintis fisikawan Elizabeth Gardner - yang jika hadir dalam gelas, dapat mengubah properti mereka secara signifikan pada suhu rendah.

Tapi apakah transisi fasa ini, yang jelas hadir dalam dimensi tak terbatas, juga ada dalam tiga? Kembali di tahun 1980an, sebuah tim fisikawan menghasilkan perhitungan matematis yang menunjukkan bahwa tidak, tidak dapat. Selama tiga dekade, sudut pandang yang berlaku tetap bahwa transisi ini, sementara secara teoritis menarik, tidak relevan dengan dunia nyata.

Artinya, sampai eksperimen dan simulasi baru-baru ini oleh Charbonneau dan lainnya mulai menunjukkan petunjuknya dalam kacamata tiga dimensi.

"Saat seperti ini adalah alasan mengapa saya melakukan sains," kata Yaida. "Ini hanya sebuah titik, tapi ini sangat berarti bagi orang-orang di bidang ini, ini menunjukkan bahwa hal eksotis yang ditemukan orang pada tahun tujuh puluhan dan delapan puluhan ini memiliki relevansi fisik dengan dunia tiga dimensi ini."

Setelah satu tahun melakukan pengecekan dan pengecekan ulang, ditambah lagi halaman perhitungan 60-odd yang mendukung perhitungan, hasilnya dipublikasikan 26 Mei di Physical Review Letters.

"Kenyataan bahwa transisi ini mungkin benar-benar ada dalam tiga dimensi berarti kita dapat mulai mencarinya dengan serius," kata Charbonneau. "Ini mempengaruhi bagaimana suara menyebar, berapa banyak panas yang bisa diserap, pengangkutan informasi melalui itu Dan jika Anda mulai mencukur kaca, bagaimana hasilnya, bagaimana ia akan pecah."

"Ini sangat mengubah bagaimana kita memahami bahan amorf pada umumnya, apakah itu plastik amorf atau tumpukan pasir atau kaca jendela," katanya.