Bagaimana Elektron Fluida dalam Grafena Dapat Meningkatkan Teknologi Masa Depan
Penelitian baru pada material kuantum seperti graphene menunjukkan bahwa elektron dapat berperilaku seperti cairan kental, membuka kemungkinan perangkat elektronik yang lebih cepat dan efisien.
Terobosan ini mengarah pada pengembangan perangkat seperti bolometer elektron kental, yang dapat meningkatkan teknologi mulai dari kecepatan internet hingga pemindaian medis non-invasif.
Di sekolah sains, kita belajar bahwa menyambungkan kabel ke sirkuit listrik akan memicu aliran elektron, menyediakan daya untuk segala hal, mulai dari lampu hingga telepon.
Secara tradisional, kita telah memahami perilaku elektron dalam logam dan semikonduktor menggunakan model sederhana. Dalam pandangan ini, elektron seperti partikel kecil yang independen – mirip dengan mobil yang bergerak bebas di jalan raya terbuka, jarang berinteraksi satu sama lain. Model sederhana ini telah lama menjadi fondasi elektronik, yang membentuk cara kita merancang perangkat yang mendukung kehidupan modern.
Namun, pandangan tradisional ini tidak sepenuhnya menjelaskan perilaku elektron dalam material kuantum tertentu yang sedang berkembang, seperti graphene – material ultratipis yang sangat konduktif. Dalam graphene, elektron tidak bergerak sendiri-sendiri melainkan mengalir secara kolektif, menyerupai pergerakan fluida kental, seperti minyak.
Temuan ini lebih dari sekedar observasi unik. Hal ini dapat menjadi transformatif bagi pengembangan berbagai teknologi di masa depan.
Menjelajahi Properti Graphene
Di laboratorium penelitian Asisten Profesor Denis Bandurin di Fakultas Desain dan Teknik di Universitas Nasional Singapura, mereka mengeksplorasi bagaimana material kuantum berinteraksi dengan radiasi elektromagnetik di alam semesta. skala nano untuk mengungkap fenomena ilmiah baru dan potensi penggunaannya dalam pengembangan teknologi masa depan.
Dalam sebuah penelitian terbaru, yang diterbitkan di Nanoteknologi Alammereka melaporkan bahwa ketika graphene terkena radiasi elektromagnetik terahertz frekuensi, cairan elektron memanas dan viskositasnya berkurang drastis, sehingga hambatan listriknya lebih rendah — seperti minyak, madu, dan cairan kental lainnya mengalir lebih mudah saat dipanaskan di atas kompor.
Kemajuan Teknologi THz
Mengapa ini menarik?
Gelombang Terahertz (THz) adalah bagian spektrum elektromagnetik yang khusus dan menantang secara teknologi — terletak di antara gelombang mikro dan cahaya inframerah — yang memiliki beragam potensi penerapan. Mampu mendeteksi gelombang THz dapat membuka kemajuan besar dalam teknologi
Dalam komunikasi misalnya, teknologi Wi-Fi saat ini beroperasi pada beberapa GHz, sehingga membatasi jumlah data yang dapat dikirim. Radiasi THz, dengan frekuensinya yang jauh lebih tinggi, dapat berfungsi sebagai “frekuensi pembawa” untuk jaringan ultracepat, di luar jaringan 5G, memungkinkan transfer data yang lebih cepat untuk perangkat yang terhubung dengan Internet of Things (IoT), mobil tanpa pengemudi, dan banyak aplikasi lainnya.
Dalam pencitraan medis dan pengendalian kualitas industri, gelombang THz dapat menembus banyak material, sehingga berguna untuk pemindaian non-invasif. Mereka juga lebih aman dibandingkan sinar-X, karena menyediakan alat pencitraan yang sangat selektif dan tepat.
Lebih jauh lagi, penglihatan THz memungkinkan astronomi observasional, memungkinkan para ilmuwan mengamati galaksi jauh dan exoplanet yang tidak dapat dilihat oleh cahaya tampak.
Peran Elektronik Kental dalam Teknologi Modern
Oleh karena itu, radiasi THz menawarkan potensi yang sangat besar. Masalahnya, hingga saat ini, mendeteksinya merupakan tantangan yang signifikan. Gelombang THz terlalu cepat untuk ditangani oleh chip semikonduktor tradisional dan terlalu lambat untuk perangkat optoelektronik konvensional.
Studi ini menunjukkan bahwa dengan memanfaatkan efek pengurangan viskositas kita dapat menciptakan perangkat inovatif yang dapat mendeteksi gelombang THz dengan merasakan perubahan hambatan listrik. Memang benar, seperti dilaporkan dalam makalah tersebut, mereka telah mampu membangun perangkat elektronik kelas baru yang disebut bolometer elektron kental.
Mewakili penerapan praktis pertama di dunia nyata dari elektronik kental – sebuah konsep yang pernah dianggap murni teoretis – bolometer ini mampu merasakan perubahan resistansi dengan sangat akurat dan cepat, dan pada prinsipnya beroperasi pada skala piko-detik. Dengan kata lain, sepertriliun detik.
Masa Depan Perangkat Elektronik
Memahami dan memanfaatkan cara elektron bergerak bersama sebagai fluida kolektif membuka jalan bagi kita untuk sepenuhnya memikirkan kembali desain perangkat elektronik. Dengan pemikiran ini, tim peneliti secara aktif berupaya mengoptimalkan bolometer elektron kental ini untuk aplikasi praktis.
Ketika kita mengungkap lebih banyak rahasia di dunia material kuantum yang sedang berkembang, jelas bahwa model perilaku elektron tradisional tidak lagi memadai. Dengan menerima pemahaman baru tentang elektronik kental, para ilmuwan bisa saja membuka gelombang baru kemungkinan teknologi.
Referensi: “Fotokonduktivitas terahertz kental elektron hidrodinamik dalam graphene” oleh M. Kravtsov, AL Shilov, Y. Yang, T. Pryadilin, MA Kashchenko, O. Popova, M. Titova, D. Voropaev, Y. Wang, K. Shein , I. Gayduchenko, GN Goltsman, M. Lukianov, A. Kudriashov, T. Taniguchi, K. Watanabe, DA Svintsov, S. Adam, KS Novoselov, A. Principi dan DA Bandurin, 7 Oktober 2024, Nanoteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y
