Sensor Kuantum Mutakhir Mengungkap Dunia Atom yang Tersembunyi

Sensor kuantum baru yang dikembangkan oleh para peneliti dari Korea dan Jerman dapat mengukur medan magnet pada skala atom dengan presisi tinggi. Teknologi ini menggunakan satu molekul untuk deteksi, menawarkan resolusi yang unggul dan potensi untuk kemajuan signifikan dalam materials kuantum dan analisis sistem molekuler.

Dalam sebuah terobosan ilmiah, tim peneliti internasional dari IBS Middle for Quantum Nanoscience (QNS) Korea dan Forschungszentrum Jülich Jerman mengembangkan sensor kuantum yang mampu mendeteksi medan magnet kecil pada skala panjang atom. Karya perintis ini mewujudkan impian lama para ilmuwan: alat seperti MRI untuk materials kuantum.

Tim peneliti memanfaatkan keahlian fabrikasi molekul tunggal bawah-atas dari kelompok Jülich saat melakukan eksperimen di QNS, memanfaatkan instrumentasi canggih dan pengetahuan metodologis tim Korea untuk mengembangkan sensor kuantum pertama di dunia untuk dunia atom.

Tantangan dalam Pengukuran Skala Atom

Diameter sebuah atom sejuta kali lebih kecil dari rambut manusia yang paling tebal. Hal ini membuat sangat sulit untuk memvisualisasikan dan mengukur secara tepat besaran fisik seperti medan listrik dan magnet yang muncul dari atom. Untuk merasakan medan lemah tersebut dari satu atom, alat pengamatan harus sangat sensitif dan sekecil atom itu sendiri.

Sensor kuantum adalah teknologi yang menggunakan fenomena mekanika kuantum seperti putaran elektron atau keterikatan keadaan kuantum untuk pengukuran yang tepat. Beberapa jenis sensor kuantum telah dikembangkan selama beberapa tahun terakhir. Sementara banyak sensor kuantum mampu merasakan medan listrik dan magnet, diyakini bahwa resolusi spasial skala atom tidak dapat dikuasai secara bersamaan.

Tim peneliti mencapai tingkat sensitivitas dan resolusi spasial yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan menempelkan molekul PTCDA ke ujung STM dan mengukur ESR. Kredit: Institute for Primary Science

Inovasi dalam Teknologi Penginderaan Kuantum

Keberhasilan sensor kuantum skala atom baru terletak pada penggunaan satu molekul tunggal. Ini adalah cara penginderaan yang berbeda secara konseptual karena fungsi sebagian besar sensor lainnya bergantung pada cacat – ketidaksempurnaan – kisi kristal. Karena cacat tersebut mengembangkan sifat-sifatnya hanya ketika tertanam dalam ke dalam materials, cacat – yang mampu merasakan medan listrik dan magnet, akan selalu berada pada jarak yang agak jauh dari objek yang mencegahnya melihat objek sebenarnya pada skala atom tunggal. Tim peneliti mengubah pendekatan dan mengembangkan alat yang menggunakan molekul tunggal untuk merasakan sifat listrik dan magnet atom. Molekul tersebut melekat pada ujung mikroskop terowongan pemindaian dan dapat dibawa dalam beberapa jarak atom dari objek sebenarnya.

Dr. Taner Esat, penulis utama tim Jülich, mengungkapkan kegembiraannya tentang aplikasi potensial tersebut, dengan menyatakan, “Sensor kuantum ini mengubah permainan karena menyediakan gambar materials yang sekaya MRI dan pada saat yang sama menetapkan standar baru untuk resolusi spasial dalam sensor kuantum. Ini akan memungkinkan kita untuk mengeksplorasi dan memahami materials pada tingkat yang paling mendasar.” Kolaborasi jangka panjang ini bergantung pada Dr. Esat, yang sebelumnya merupakan postdoc di QNS, yang pindah kembali ke Jülich tempat ia menyusun molekul penginderaan ini. Ia memilih untuk kembali ke QNS untuk melakukan penelitian guna membuktikan teknik ini menggunakan instrumen canggih di pusat tersebut.

Tim peneliti mencapai tingkat sensitivitas dan resolusi spasial yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan menempelkan molekul PTCDA ke ujung STM dan mengukur ESR. Kredit: Institute for Primary Science

Implikasi dan Prospek Masa Depan

Sensor ini memiliki resolusi energi yang memungkinkan pendeteksian perubahan medan magnet dan listrik dengan resolusi spasial sekitar sepersepuluh angstrom, di mana 1 Ångström biasanya setara dengan satu diameter atom. Selain itu, sensor kuantum dapat dibangun dan diimplementasikan di laboratorium yang ada di seluruh dunia.

“Yang membuat pencapaian ini begitu mencengangkan adalah kami menggunakan objek kuantum yang direkayasa secara luar biasa untuk mengungkap sifat-sifat atom basic dari bawah ke atas. Teknik-teknik sebelumnya untuk memvisualisasikan materials menggunakan probe yang besar dan tebal untuk mencoba menganalisis fitur-fitur atom yang sangat kecil,” tegas penulis utama QNS, Dr. Dimitry Borodin. “Anda harus kecil untuk melihat yang kecil.”

Sensor kuantum yang inovatif ini siap membuka jalan transformatif untuk merekayasa materials dan perangkat kuantum, merancang katalis baru, dan mengeksplorasi perilaku kuantum basic sistem molekuler, seperti dalam biokimia. Seperti yang dicatat Yujeong Bae, PI QNS untuk proyek tersebut, “Revolusi dalam perangkat untuk mengamati dan mempelajari materi muncul dari ilmu dasar yang terakumulasi. Seperti yang dikatakan Richard Feynman, 'Ada banyak ruang di dasar,' potensi teknologi untuk memanipulasi pada tingkat atom tidak terbatas.” Profesor Temirov, pemimpin kelompok penelitian di Jülich, menambahkan: “Sangat menarik untuk melihat bagaimana pekerjaan jangka panjang kami dalam manipulasi molekuler telah menghasilkan konstruksi perangkat kuantum yang memecahkan rekor.”

Hasil penelitian ini dipublikasikan di Nanoteknologi Alam pada tanggal 25 Juli. Pengembangan sensor kuantum berskala atom ini menandai tonggak penting dalam bidang teknologi kuantum dan diharapkan memiliki implikasi yang luas di berbagai disiplin ilmu.

Referensi: “Sensor kuantum untuk medan listrik dan magnet skala atom” oleh Taner Esat, Dmitriy Borodin, Jeongmin Oh, Andreas J. Heinrich, F. Stefan Tautz, Yujeong Bae dan Ruslan Temirov, 25 Juli 2024, Nanoteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41565-024-01724-z