Seperti Apa Foto dari Orbital dalam Atom Hidrogen?

Semua benda di alam semesta tersusun atas atom-atom yang berukuran sangat kecil. Walaupun secara harfiah berarti sesuatu yang tidak dapat dibagi, atom tersusun atas partikel-partikel dengan ukuran yang jauh lebih kecil seperti elektron, proton, dan neutron.  Atom hidrogen, yang merupakan atom paling sederhana dengan sebuah elektron, memiliki ukuran sekitar 1 Angstrom; 100.000 kali lebih kecil dari diameter rambut kita. Dengan ukuran sekecil ini tentu tidak mungkin bagi kita melihat atom secara langsung, lebih-lebih mengabil foto kemudian mengunggahnya ke media sosial.

Dalam sebuah atom, elektron-elektron senanatiasa bergerak dalam lintasan mengelilingi inti atom, tetapi ternyata Anda masih dapat mengambil foto mereka seolah-olah mereka diam. Sebuah mikroskop kuantum telah berhasil mencitrakan fungsi gelombang atom hidrogen, persamaan matematika yang menentukan kemungkinan posisi elektron atau bentuk orbital dari sebuah atom.

Gambar 1. Hasil pencitraan atom hidrogen dengan empat bilangan kuantum utama berbeda. Gambar kiri terlihat dari arah samping/sejajar dengan layar detektor 2 dimensi (2D). Gambar kanan terlihat dari muka layar detektor 2D. Gambar merupakan hak cipta American Physical Society, ditampilkan dengan izin dari American Physical Society .

Orbital adalah istilah yang tidak asing lagi bagi Kita yang tertarik dengan Model Atom Kuantum. Berbeda dengan orbit, yang merupakan lintasan pasti dari suatu objek. Orbital merupakan fungsi matematika yang memberikan nilai probabilitas untuk menemukan suatu elektron pada titik tertentu di sekitar inti atom. Dengan kata lain, orbital atom menyatakan keadaan-keadaan kuantum yang mungkin dari suatu elektron dalam sekumpulan elektron di sekeliling atom.

Apakah orbital itu benar-benar ada. Inilah yang memicu ilmuwan internasional merancang sebuah mikroskop kuantum. Suatu perangkat yang memanfaatkan fotoionisasi mikroskopis untuk memvisualisasikan struktur atom secara langsung. Mikroskop yang pertama kali diusulkan lebih dari 30 tahun yang lalu ini berhasil memetakan struktur nodal (simpul) dari orbital atom Hidrogen yang ditempatkan di medan listrik statis DC (Direct Current, listrik arus searah)(Gambar 1).

Gambar 2. Ilustrasi mikroskop kuantum yang digunakan untuk mencitrakan orbital atom hidrogen. Atom-atom hidrogen ditembakkan ke dalam medan listrik kemudian dieksitasi dan diionisasi dengan menggunakan laser. Ilustrasi oleh Dwi Prananto.

Dalam eksperimennya, mereka menembakkan atom-atom hidrogen menuju sebuah medan listrik DC. Di dalam medan listrik, atom-atom hidrogen ini kemudian ditembak dengan pulsa-pulsa laser (pulsa dalam hal ini adalah sinar laser yang berlangsung beberapa waktu tertentu) dengan dua panjang gelombang yang berbeda dari arah tegak lurus (Lihat Gambar 2). Laser pertama, dengan panjang gelombang 243 nanometer (nm), digunakan untuk mengeksitasi elektron dari keadaan dasar ke orbital $n = 2$ $p$ dan $s$ ($n$ adalah bilangan kuantum utama, $p$ dan $s$ masing-masing adalah orbital elektron dengan momentum sudut $l = 1$ dan $l = 0$). Laser kedua, dengan panjang gelombang 365-367 nm, digunakan untuk mengionisasi atom (fotoionisasi).

Medan listrik DC akan mengakselerasi elektron-elektron hasil ionisasi mengikuti trayektori menuju detektor 2D. Di sana banyak sekali trayektori berbeda yang dapat diambil oleh elektron (dengan fase yang berbeda-beda) untuk mencapai titik yang sama pada detektor, sehingga terbentuk pola interferensi, pola yang dapat mencerminkan bentuk simpul-simpul dari fungsi gelombang. Selanjutnya, peneliti menggunakan lensa elektrostatis untuk memperbesar fungsi gelombang dari elektron lebih dari 20000 kali.

Hasil ini mengingatkan kita pada kontroversi yang menarik: apakah fungsi gelombang dalam atom adalah gelombang fisik nyata, yang berarti elektron dapat punya kemungkinan berada di banyak posisi dalam satu waktu, atau sekedar fungsi matematika. Mengukur posisi dari elektron tunggal berarti "menghancurkan" fungsi gelombangnya, karena memaksa elektron untuk memilih satu posisi tertentu. Ini dikenal dengan interpretasi Kopenhagen, sebuah interpretasi terhadap fenomena kuantum yang dicetuskan oleh fisikawan asal Denmark, Niels Bohr. Akibatnya, hasil pengamatan tidak dapat mewakili kehadiran fenomena kuantum yang sebenarnya pada atom.

"Fungsi-fungsi gelombang sulit diukur. Mereka adalah objek kuantum yang sangat indah yang mengubah penampilan mereka setelah diamati", kata Aneta Stodolna, salah satu ilmuwan yang terlibat dalam eksperimen ini, dikutip dari NewScientist. "Eksperimen ini menyuguhkan kita dengan tampilan unik dari salah satu dari beberapa sistem atom yang dapat diperoleh solusi analitiknya dari persamaan Schrödinger," tulis Christopher TL Smeenk dari Laboratorium Sains Attosekon Gabungan antara Universitas Ottawa dan Dewan Riset Nasional Kanada, dalam sebuah esai yang menyertai eksperimen ini.

Referensi:

1. Stodolna, A. S. et al. Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States, Phys. Rev. Lett. 110, 213001 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.213001
2. Smeenk, C. T. L. A new look at the hydrogen wave function, Physics, 6, 58 (2013). DOI: 10.1103/Physics.6.58
3. The First Image Ever of a Hydrogen Atom's Orbital Structure [https://io9.gizmodo.com/the-first-image-ever-of-a-hydrogen-atoms-orbital-struc-509684901]
4. Smile, hydrogen atom, you're on quantum camera [https://www.newscientist.com/article/mg21829194-900-smile-hydrogen-atom-youre-on-quantum-camera/]