Dalam dunia fisika, simetri sering kali menjadi kunci keteraturan. Banyak hukum alam tersusun sedemikian rupa sehingga suatu sistem berperilaku sama ketika dipandang dari sisi atau arah berbeda. Namun, apa yang terjadi jika simetri itu sengaja dipecahkan? Jawabannya bisa membuka pintu menuju fenomena fisika baru yang sebelumnya tampak mustahil.
Penelitian terbaru yang dipublikasikan di jurnal Nature Communications tahun 2025 mengungkap salah satu dampak paling menarik dari pemecahan simetri pada level yang sangat kecil, yaitu pada sistem materi optik yang tersusun dari nanopartikel perak (Ag). Para peneliti menemukan gaya elektrodinamik tak timbal balik dalam sistem yang terdiri dari tiga atau lebih partikel kecil tersebut ketika pengaturan ruangnya tidak lagi simetris. Temuan ini bukan hanya langkah maju dalam sains dasar, tetapi juga berpotensi memengaruhi teknologi yang berhubungan dengan cahaya, robotik skala kecil, dan materi aktif di masa depan.
Mengapa fenomena ini begitu penting? Untuk menjawabnya, kita perlu memahami terlebih dahulu apa itu gaya tak timbal balik, dan mengapa hal ini hampir mustahil ditemukan dalam kondisi alam biasa.
Baca juga artikel tentang: Snowball Earth: Tragedi Iklim Terbesar yang Membentuk Kehidupan
Dunia yang Biasanya Timbal Balik
Dalam fisika klasik, gaya yang muncul antara dua objek biasanya bersifat timbal balik. Ini adalah inti dari Hukum Ketiga Newton: setiap aksi akan menimbulkan reaksi yang sama besar namun berlawanan arah. Misalnya, jika Anda mendorong dinding, dinding juga mendorong Anda kembali. Hal ini berlaku dalam berbagai situasi, termasuk interaksi listrik dan magnet.
Namun, pada sistem aktif seperti fluida yang bergerak atau partikel yang menggunakan energi eksternal, kadang muncul gaya yang tidak lagi mengikuti aturan ini. Gaya semacam itu disebut gaya non-reciprocal atau gaya tak timbal balik. Artinya, partikel A bisa mendorong partikel B, tetapi partikel B tidak memberikan gaya yang sama kembali pada A.
Fenomena seperti ini relatif jarang ditemui, dan biasanya hanya terlihat pada interaksi dua benda (2-body system). Lebih jarang lagi terjadi pada sistem yang melibatkan tiga atau lebih partikel yang saling berinteraksi secara bersamaan.
Itulah sebabnya temuan para peneliti ini dianggap luar biasa.
Ketika Cahaya Menjadi “Tangan Tak Terlihat”
Para peneliti menciptakan fenomena ini menggunakan perangkap optik berbentuk cincin, yang pada dasarnya adalah cahaya laser yang disusun sehingga dapat memegang dan menggerakkan nanopartikel perak di dalamnya. Cahaya mampu memberikan dorongan kecil melalui tekanan radiasi, sebuah konsep yang memungkinkan laser tidak hanya menerangi objek tetapi juga memanipulasinya.
Pengaturan ruangan nanopartikel ini dibuat sedemikian rupa sehingga mereka berada dalam pola yang kurvanya tidak simetris sempurna. Di sinilah pemecahan simetri mulai bekerja.
Ketika cahaya memukul nanopartikel tersebut, gaya yang dihasilkan menjadi tidak seimbang. Partikel-partikel tersebut mulai bergerak bersama, tetapi arah geraknya ditentukan oleh sifat polarisasi cahaya laser yang melingkar. Dengan kata lain, cahaya tidak hanya menggerakkan partikel, tetapi juga mengatur arah rotasinya.
Fenomena ini berbeda dengan interaksi optik konvensional yang biasanya hanya melibatkan transfer momentum sederhana. Di sini, jumlah partikel serta jarak antar partikel berperan besar dalam menentukan seberapa besar gaya yang muncul dan ke mana partikel bergerak.
Interaksi Bernilai Lebih dari Sekadar Dua
Sistem ini disebut N-body karena melibatkan lebih dari dua partikel yang saling memengaruhi. Penemuan gaya tak timbal balik pada sistem seperti ini menunjukkan bahwa perilaku materi optik bisa jauh lebih kompleks daripada yang diperkirakan sebelumnya.
Penelitian ini tidak hanya berbasis eksperimen, tetapi juga didukung oleh simulasi numerik dan analisis teoretis yang menunjukkan bahwa fenomena ini bukan sebuah kebetulan dalam laboratorium. Sebaliknya, ini merupakan perilaku umum yang bisa terjadi di berbagai sistem materi aktif yang diterangi cahaya secara koheren.
Artinya, gaya seperti ini bisa ditemukan di banyak teknologi optik lainnya jika desainnya dibuat untuk menghilangkan simetri tertentu.
Apa Manfaatnya Bagi Teknologi?
Temuan ini membuka peluang besar di berbagai bidang:
- Robotik Nano dan Mikro Material yang mampu bergerak secara kolektif tanpa sistem mekanik tradisional bisa membuka jalan bagi mesin-mesin super kecil yang dapat beroperasi di dalam tubuh manusia atau lingkungan ekstrem.
- Kendali Materi Berbasis Cahaya Interaksi kuat antara cahaya dan partikel bisa menghasilkan teknologi perakitan otomatis pada skala nano.
- Komputasi Berbasis Cahaya Sistem aktif seperti ini dapat membantu menciptakan komponen optik yang lebih efisien dan responsif terhadap perubahan lingkungan.
- Fisika Bahan Baru Membuka pemahaman baru tentang bagaimana materi bereaksi ketika aturan dasar fisika seperti simetri dirancang untuk tidak berlaku.
Dalam skala lebih besar, kemampuan untuk menciptakan gaya non-reciprocal secara terkontrol membantu ilmuwan mempelajari bagaimana dinamika kolektif muncul dalam sistem kompleks seperti sel hidup atau jaringan saraf.
Dunia Baru Ketika Simetri Dikorbankan
Penelitian ini pada akhirnya mengajarkan kita bahwa alam masih menyimpan banyak rahasia pada skala yang sangat kecil. Dengan memecahkan simetri yang selama ini dianggap konstan dan tak terpisahkan dari hukum fisika, peneliti menemukan bahwa interaksi antara partikel bisa menjadi jauh lebih kaya dan tak terduga.
Dari luar, nanopartikel perak yang berputar dalam lingkaran mungkin tampak seperti percobaan optik biasa. Namun di balik itu, terdapat prinsip baru dalam fisika yang dapat mengubah cara kita melihat gaya dan gerak. Cahaya, yang selama ini kita kenal hanya sebagai pembawa energi dan informasi, kini bertindak sebagai pemicu interaksi misterius yang mematahkan aturan timbal balik klasik.
Dengan semakin majunya teknologi perangkap optik dan kemampuan memanipulasi partikel nano, penelitian semacam ini kemungkinan hanya merupakan permulaan. Masa depan fisika optik dan materi aktif mungkin akan diwarnai oleh penemuan gaya-gaya baru yang tidak lagi taat pada hukum klasik.
Satu hal yang jelas, pemecahan simetri bukan lagi sekadar konsep abstrak dalam matematika fisika. Ia kini menjadi alat untuk menciptakan fenomena baru yang dapat mendorong inovasi teknologi ke tingkat berikutnya.
Baca juga artikel tentang: Dari Kabut Metana ke Planet yang Terbakar: Sejarah Api di Bumi
REFERENSI:
Parker, John dkk. 2025. Symmetry breaking-induced N-body electrodynamic forces in optical matter systems. Nature Communications 16 (1), 6294.
