Ketika peneliti menyinari lapisan tipis nikel iodida dengan pulsa laser yang sangat cepat, fitur berbentuk seperti pembuka botol yang disebut “osilasi magnetoelektrik heliks kiral” muncul. Fitur-fitur ini dapat berguna untuk berbagai aplikasi, termasuk memori komputer yang cepat dan ringkas. Kredit: Ella Maru Studio
Para peneliti menemukan bahwa nikel iodida menunjukkan kopling magnetoelektrik yang luar biasa, membuatnya sangat cocok untuk digunakan dalam teknologi berkecepatan tinggi dan hemat energi seperti memori magnetik dan komputasi kuantum.
Bahan multiferroik berlapis nikel iodida mungkin merupakan kandidat terbaik untuk perangkat seperti memori komputer magnetik yang sangat cepat dan kompak.
Multiferroik dan Nikel Iodida
Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah mempelajari sekelompok bahan yang tidak biasa yang disebut multiferroik yang dapat berguna untuk berbagai aplikasi termasuk memori komputer, sensor kimia, dan komputer kuantum. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada 17 Juli di Alampeneliti dari Universitas Texas di Austin dan Institut Max Planck untuk Struktur dan Dinamika Materi (MPSD) menunjukkan bahwa bahan multiferroik berlapis nikel iodida (NiI2) mungkin merupakan kandidat terbaik untuk perangkat yang sangat cepat dan ringkas.
Multiferroik memiliki sifat khusus yang disebut kopling magnetoelektrik, yang berarti Anda dapat memanipulasi sifat magnetik materials dengan medan listrik dan sebaliknya, sifat listrik dengan medan magnet. Para peneliti menemukan NiI2 memiliki kopling magnetoelektrik yang lebih besar daripada materials sejenisnya yang diketahui, menjadikannya kandidat utama untuk kemajuan teknologi.
Ketika peneliti menyinari lapisan tipis nikel iodida dengan pulsa laser yang sangat cepat, fitur berbentuk seperti pembuka botol yang disebut “osilasi magnetoelektrik heliks kiral” muncul. Fitur-fitur ini dapat berguna untuk berbagai aplikasi, termasuk memori komputer yang cepat dan ringkas. Kredit: Ella Maru Studio
Terobosan dalam Kopling Magnetoelektrik
“Mengungkap efek ini pada skala serpihan nikel iodida yang tipis merupakan tantangan yang berat,” kata Frank Gao, seorang peneliti pascadoktoral di bidang fisika di UT dan salah satu penulis utama makalah ini, “tetapi keberhasilan kami menunjukkan kemajuan yang signifikan di bidang multiferroik.”
“Penemuan kami membuka jalan bagi perangkat magnetoelektrik yang sangat cepat dan hemat energi, termasuk memori magnetik,” tambah mahasiswa pascasarjana Xinyue Peng, salah satu penulis utama proyek tersebut.
Sifat Dasar dan Metodologi Penelitian
Medan listrik dan medan magnet sangat penting bagi pemahaman kita tentang dunia dan teknologi fashionable. Di dalam suatu materials, muatan listrik dan momen magnetik atom dapat mengatur diri mereka sendiri sedemikian rupa sehingga sifat-sifatnya bertambah, membentuk polarisasi listrik atau magnetisasi. Materials semacam itu dikenal sebagai feroelektrik atau feromagnet, tergantung pada kuantitas mana yang berada dalam keadaan teratur.
Namun, pada materials eksotis yang bersifat multiferroik, tatanan listrik dan magnet tersebut hidup berdampingan. Tatanan magnet dan listrik dapat terjalin sedemikian rupa sehingga perubahan pada salah satu menyebabkan perubahan pada yang lain. Properti ini, yang dikenal sebagai kopling magnetoelektrik, menjadikan materials ini kandidat yang menarik untuk perangkat yang lebih cepat, lebih kecil, dan lebih efisien. Agar perangkat tersebut bekerja secara efektif, penting untuk menemukan materials dengan kopling magnetoelektrik yang sangat kuat, seperti yang dijelaskan tim peneliti dengan NiI.2 dalam penelitian mereka.
Para peneliti mencapainya dengan cara menggairahkan materials menggunakan pulsa laser ultrapendek dalam rentang femtodetik (sepersejuta dari sepersejuta miliar detik) dan kemudian melacak perubahan yang dihasilkan dalam tatanan listrik dan magnetik materials serta kopling magnetoelektrik melalui dampaknya pada sifat optik tertentu.
Aplikasi Potensial dan Penelitian Masa Depan
Untuk memahami mengapa kopling magnetoelektrik jauh lebih kuat di NiI2 daripada bahan serupa, tim melakukan perhitungan ekstensif.
“Dua faktor memainkan peran penting di sini,” kata rekan penulis Emil Viñas Boström dari MPSD. “Salah satunya adalah hubungan kuat antara putaran elektron dan gerakan orbital pada atom iodin — itu adalah efek relativistik yang dikenal sebagai hubungan spin-orbit. Faktor kedua adalah bentuk khusus tatanan magnetik dalam nikel iodida, yang dikenal sebagai spiral spin atau heliks spin. Urutan ini penting untuk memulai tatanan feroelektrik dan untuk kekuatan hubungan magnetoelektrik.”
Bahan seperti NiI2 dengan kopling magnetoelektrik besar memiliki berbagai macam aplikasi potensial, menurut para peneliti. Ini termasuk memori komputer magnetik yang ringkas, hemat energi dan dapat disimpan dan diambil jauh lebih cepat daripada memori yang ada; interkoneksi dalam platform komputasi kuantum; dan sensor kimia yang dapat memastikan kontrol kualitas dan keamanan obat dalam industri kimia dan farmasi.
Para peneliti berharap bahwa wawasan inovatif ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi bahan lain dengan sifat magnetoelektrik yang serupa dan bahwa teknik rekayasa materials lainnya mungkin dapat mengarah pada peningkatan lebih lanjut dari kopling magnetoelektrik di NiI.2.
Referensi: “Osilasi magnetoelektrik kiral raksasa dalam multiferroik van der Waals” oleh Frank Y. Gao, Xinyue Peng, Xinle Cheng, Emil Viñas Boström, Dong Seob Kim, Ravish Okay. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivanan Raju, Raman Sankar, Shang-Fan Lee, Michael A. Sentef, Takashi Kurumaji, Xiaoqin Li, Peizhe Tang, Angel Rubio dan Edoardo Baldini, 17 Juli 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07678-5
Karya ini disusun dan diawasi oleh Edoardo Baldini, asisten profesor fisika di UT, dan Angel Rubio, direktur MPSD.
Penulis UT lainnya dalam makalah ini adalah Dong Seob Kim dan Xiaoqin Li. Penulis MPSD lainnya adalah Xinle Cheng dan Peizhe Tang. Penulis tambahan adalah Ravish Okay. Jain, Deepak Vishnu, Kalaivanan Raju, Raman Sankar dan Shang-Fan Lee dari Academia Sinica; Michael A. Sentef dari College of Bremen; dan Takashi Kurumaji dari California Institute of Expertise.
Pendanaan untuk penelitian ini disediakan oleh Robert A. Welch Basis, US Nationwide Science Basis, US Air Power Workplace of Scientific Analysis, program penelitian dan inovasi Horizon Europe milik Uni Eropa, Cluster of Excellence “CUI: Superior Imaging of Matter,” Grupos Consolidados, Max Planck-New York Metropolis Middle for Non-Equilibrium Quantum Phenomena, Simons Basis, dan Kementerian Sains dan Teknologi di Taiwan.
