Terobosan dalam Material Kuantum 2D yang Meningkatkan Aplikasi Nanoteknologi

Efek Hall adalah fenomena fisika dimana aliran arus listrik pada sebuah bahan yang dipengaruhi medan magnet menghasilkan tegangan melintang pada bahan tersebut. Biasanya, efek ini dipelajari pada material magnetik yang memiliki magnetisasi dari spin elektron. Penemuan terbaru menunjukkan bahwa efek serupa juga bisa terjadi di bahan tanpa magnetisasi konvensional. Para fisikawan dari Tokyo Institute of Science and Technology mengamati efek Hall anomali (AHE) di bahan cadmium arsenide (Cd3As2), sebuah semimetal Dirac. Ini berbeda karena AHE biasanya muncul dari magnetisasi spin dalam material ferromagnetik, tapi sini tim membuktikan bahwa AHE muncul dari magnetisasi orbital elektron dalam bahan nonmagnetik. Tim menggunakan medan magnet yang diterapkan rata di bidang tipis Cd3As2 dan teknik pengendalian struktur pita elektronik untuk memisahkan efek Hall anomali dari efek Hall biasa. Pengukuran menunjukkan sinyal AHE yang besar pada bahan ini, menandakan AHE bisa terjadi tanpa spin magnetisasi. Penemuan ini sangat penting karena magnetisasi orbital sering kali diabaikan dalam diskusi AHE. Dengan membukanya konsep ini, riset bisa diperluas ke pemahaman yang lebih dalam tentang peran orbit elektron dalam sifat listrik bahan dan potensi teknologi baru seperti sensor Hall dan perangkat spintronik yang tidak bergantung pada magnetisme. Hasil penelitian ini dipublikasikan di jurnal Physical Review Letters dan menjadi tonggak penting dalam memahami fisika elektronik maju. Ke depannya, teknologi berbasis fenomena ini bisa menghasilkan perangkat elektronik yang lebih kecil, cepat, dan efektif yang dapat digunakan dalam berbagai kondisi tanpa menggunakan bahan magnetik tradisional.

Gelombang cahaya terahertz yang terletak antara gelombang mikro dan inframerah memiliki potensi besar, namun sulit untuk dikendalikan karena sering kehilangan energinya dengan cepat. Para ilmuwan telah mencari cara untuk memperbaiki hal ini agar teknologi yang bergantung pada gelombang tersebut bisa berkembang. Salah satu terobosan penting datang dari penelitian yang menggunakan gelombang Dirac plasmon polaritons (DPP), yaitu gelombang gabungan antara cahaya dan pergerakan elektron pada material ultra-tipis khusus. Material yang digunakan adalah epitaxial Bi2Se3, sebuah topological insulator yang memiliki permukaan konduktif dan interior isolatif. Peneliti membuat nanostruktur khusus yang disebut metaelements dengan mengatur jarak antar elemen tersebut. Ini seperti mengatur senar gitar agar menghasilkan suara yang berbeda. Tuning ini memungkinkan mereka mengontrol gelombang DPP secara presisi dan meningkatkan performa gelombang secara signifikan. Menggunakan mikroskopi near-field fase-sensitif, peneliti dapat melihat secara langsung gelombang DPP berpindah di permukaan nanostruktur. Mereka berhasil meningkatkan wavevector gelombang hingga 20% dan memperpanjang perjalanan gelombang tanpa kehilangan energi lebih dari 50%. Penemuan ini sangat penting untuk masa depan teknologi, karena memungkinkan pembuatan perangkat optik terahertz yang lebih efisien dan bisa dikontrol dengan presisi. Ini dapat membuka peluang baru untuk komunikasi cepat, pemindaian medis yang lebih tajam, dan komputasi kuantum yang canggih.

Banyak orang mengenal emas sebagai bahan untuk perhiasan atau harta karun, namun di tingkat atomik, emas menunjukkan perilaku yang sangat berharga bagi ilmu pengetahuan. Para peneliti dari Universitas Tokyo berhasil mengamati tahap awal pertumbuhan nanokluster emas yang hanya terdiri dari beberapa puluh atom saja, sesuatu yang sudah lama dicari oleh ilmuwan. Nanokluster emas biasanya sulit dikendalikan bentuk dan ukurannya karena pertumbuhannya yang tidak pasti. Dengan memperlambat proses reaksi, para peneliti berhasil 'membekukan' kluster pada tahap paling awal, yang kemudian dianalisis dengan teknik difraksi sinar-X kristal tunggal untuk melihat posisi atom secara tepat. Hasilnya mengejutkan karena kluster tersebut tidak tumbuh secara simetris melainkan membentuk struktur memanjang dari unit-unit atom emas yang berulang, seperti trimers dan tetramers. Karena sifat kuantumnya yang unik, struktur ini dinamakan jarum kuantum emas. Penemuan jarum kuantum ini penting karena dapat berinteraksi dengan cahaya infra merah dekat, yang sangat berguna untuk memperbaiki pencitraan medis dan mengembangkan perangkat yang lebih efisien dalam mengubah cahaya menjadi energi. Meski masih memerlukan pengembangan lebih lanjut agar dapat diproduksi dalam jumlah besar dan dimodifikasi untuk aplikasi praktis, studi ini membuka jalan baru untuk desain nanokluster yang sebelumnya tidak mungkin dan memperkaya teknologi masa depan.

Para ilmuwan dari Purdue University telah mengembangkan material dua dimensi baru yang sangat tipis disebut MXenes, yang mengandung hingga sembilan jenis logam dalam satu lembaran. Ini adalah pencapaian besar karena sebelumnya hanya beberapa logam saja yang dapat disatukan dalam satu material. Material ini memiliki struktur unik yang hanya setebal beberapa atom saja, sehingga sangat cocok digunakan dalam teknologi canggih yang membutuhkan bahan tahan ekstrim, seperti di luar angkasa, penyimpanan energi, dan elektronik berkecepatan tinggi. Penelitian menunjukkan bahwa saat menggunakan dua hingga enam jenis logam, atom-atomnya tersusun rapi dan teratur. Namun, ketika lebih banyak logam dimasukkan, atom menjadi lebih acak dan membentuk fase tinggi entropi yang berbeda dari material biasa. Dengan memahami bagaimana susunan atom yang teratur dan tidak teratur saling mempengaruhi sifat material, para ilmuwan dapat merancang material baru yang sangat stabil dan memiliki fungsi khusus sesuai kebutuhan teknologi masa depan. Inovasi ini membuka peluang besar untuk menciptakan teknologi baru yang lebih kuat dan efisien, seperti pelindung gelombang elektromagnetik, antena ultrathin untuk komunikasi mutakhir, serta material yang tahan di lingkungan paling sulit sekalipun.

Ilmuwan berhasil memperluas keluarga material dua dimensi (2D) yang dikenal sebagai MXenes, menambah anggota baru dan memasukkan hingga sembilan jenis logam berbeda ke dalam satu material. MXenes adalah bahan yang sangat tipis, hanya setebal satu atom, namun memiliki sifat listrik yang sangat baik dan berpotensi digunakan dalam teknologi canggih. Berbeda dengan graphene, yang hanya terdiri dari lapisan atom karbon, MXenes terbentuk dari lapisan logam dan karbon/nitrogen yang disusun seperti sandwich, di mana logam tertentu 'lebih suka' berada di lapisan dalam atau lapisan luar. Hal ini dipengaruhi oleh sifat termodinamika, termasuk ukuran atom dan kecenderungan elektron masing-masing logam. Proses pembuatan MXenes dilakukan dengan pemanasan bahan di dalam tungku sehingga membentuk kristal dengan struktur lapisan tertentu. Namun, penempatan logam di lapisan tertentu sulit dikendalikan karena sifat alamiah setiap jenis logam yang menentukan posisi paling stabil secara energi. Sifat MXenes yang dapat terdispersi dalam air membuat bahan ini bisa diaplikasikan dengan cara disemprotkan atau dicat, sehingga mudah dipasang pada berbagai permukaan. Hal ini membuka potensi luas untuk aplikasi seperti baterai generasi terbaru dan pelapis yang melindungi perangkat dari gangguan elektromagnetik. Karena MXenes sangat kompleks, simulasi komputer belum mampu memprediksi semua sifatnya. Oleh karena itu, eksperimen langsung di laboratorium sangat dibutuhkan untuk menemukan kemungkinan sifat baru yang mengejutkan dan berguna bagi banyak bidang teknologi.