Mengontrol Elektronika Dengan Cahaya: Fase Tersembunyi Magnetit yang Terkena Laser

Para peneliti telah berhasil memanipulasi sifat struktural magnetit menggunakan transisi fase yang diinduksi cahaya.

Teknik ini mengungkap fase magnetit yang tersembunyi, membuka jalan bagi pendekatan baru dalam manipulasi materials dalam elektronik.

Terobosan dalam Penelitian Transisi Fase Magnetit

“Beberapa waktu lalu, kami menunjukkan bahwa ada kemungkinan untuk menginduksi transisi fase terbalik pada magnetit,” kata fisikawan Fabrizio Carbone di EPFL. “Seolah-olah Anda mengambil air dan mengubahnya menjadi es dengan memasukkan energi ke dalamnya menggunakan laser. Hal ini berlawanan dengan intuisi karena biasanya untuk membekukan air, Anda mendinginkannya, yaitu menghilangkan energi darinya.”

Sekarang, Carbone telah memimpin proyek penelitian untuk menjelaskan dan mengontrol sifat struktur mikroskopis magnetit selama transisi fase yang disebabkan oleh cahaya. Studi ini menemukan bahwa dengan menggunakan panjang gelombang cahaya tertentu untuk fotoeksitasi, sistem ini dapat mendorong magnetit ke keadaan metastabil non-ekuilibrium yang berbeda (“metastabil” berarti keadaan dapat berubah dalam kondisi tertentu) yang disebut “fase tersembunyi”, sehingga mengungkap protokol baru untuk memanipulasi materials. properti pada rentang waktu yang sangat cepat. Temuan ini, yang dapat berdampak pada masa depan elektronik, dipublikasikan dalam jurnal ilmiah PNAS.

Menjelajahi Keadaan Non-Ekuilibrium di Magnetit

Apa yang dimaksud dengan “keadaan non-ekuilibrium?” “Keadaan kesetimbangan” pada dasarnya adalah keadaan stabil dimana sifat materials tidak berubah seiring waktu karena gaya di dalamnya seimbang. Ketika hal ini terganggu, materials (“sistem”, lebih tepatnya dalam istilah fisika) dikatakan memasuki keadaan non-ekuilibrium, menunjukkan sifat-sifat yang mendekati eksotik dan tidak dapat diprediksi.

“Fase Tersembunyi” Magnetit

Transisi fase adalah perubahan keadaan materials akibat perubahan suhu, tekanan, atau kondisi eksternal lainnya. Contoh sehari-hari adalah air yang berubah dari es padat menjadi cair atau dari cair menjadi fuel saat mendidih.

Transisi fase pada materials biasanya mengikuti jalur yang dapat diprediksi dalam kondisi keseimbangan. Namun, saat materials keluar dari keseimbangan, materials dapat mulai menunjukkan apa yang disebut “fase tersembunyi” – keadaan peralihan yang biasanya tidak dapat diakses. Mengamati fase tersembunyi memerlukan teknik canggih yang dapat menangkap perubahan cepat dan kecil dalam struktur materials.

Magnetit (Fe₃HAI₄) adalah materials yang banyak dipelajari dan dikenal karena transisi logam-ke-isolatornya yang menarik pada suhu rendah – dari mampu menghantarkan listrik hingga secara aktif memblokirnya. Ini dikenal sebagai transisi Verwey, dan mengubah sifat elektronik dan struktural magnetit secara signifikan.

Dengan interaksi kompleks antara struktur kristal, muatan, dan tatanan orbital, magnetit dapat mengalami transisi isolator logam pada suhu sekitar 125 Ok.

Laser Ultracepat Menginduksi Transisi Tersembunyi di Magnetit

“Untuk memahami fenomena ini dengan lebih baik, kami melakukan eksperimen di mana kami melihat langsung gerakan atom yang terjadi selama transformasi tersebut,” kata Carbone. “Kami menemukan bahwa eksitasi laser membawa benda padat ke dalam beberapa fase berbeda yang tidak ada dalam kondisi kesetimbangan.”

Eksperimen menggunakan dua panjang gelombang cahaya yang berbeda: inframerah-dekat (800 nm) dan cahaya tampak (400 nm). Ketika tereksitasi dengan pulsa cahaya 800 nm, struktur magnetit terganggu, menciptakan campuran daerah logam dan isolasi. Sebaliknya, pulsa cahaya 400 nm menjadikan magnetit sebagai isolator yang lebih stabil.

Untuk memantau perubahan struktural magnetit yang disebabkan oleh pulsa laser, para peneliti menggunakan difraksi elektron ultracepat, sebuah teknik yang dapat “melihat” pergerakan atom dalam materials pada rentang waktu sub-pikodetik (satu pikodetik sama dengan sepersejuta detik).

Teknik ini memungkinkan para ilmuwan untuk mengamati bagaimana perbedaan panjang gelombang sinar laser mempengaruhi struktur magnetit pada skala atom.

Struktur kristal magnetit disebut sebagai “kisi monoklinik”, di mana sel satuannya berbentuk seperti kotak miring, dengan tiga sisi tidak sama, dan dua sudutnya 90 derajat sedangkan sudut ketiga berbeda.

Ketika cahaya 800 nm menyinari magnetit, cahaya tersebut menyebabkan kompresi cepat pada kisi monoklinik magnetit, mengubahnya menjadi struktur kubik. Hal ini terjadi dalam tiga tahap selama 50 pikodetik, dan menunjukkan adanya interaksi dinamis yang kompleks dalam materials tersebut. Sebaliknya, cahaya tampak 400 nm menyebabkan kisi mengembang, memperkuat kisi monoklinik, dan menciptakan fase yang lebih teratur – isolator yang stabil.

Implikasi Mendasar dan Penerapan Teknologi

Studi tersebut mengungkapkan bahwa sifat elektronik magnetit dapat dikontrol secara selektif menggunakan panjang gelombang cahaya yang berbeda. Memahami transisi yang disebabkan oleh cahaya ini memberikan wawasan berharga tentang fisika basic dari sistem yang berkorelasi kuat.

“Studi kami menjadi landasan bagi pendekatan baru untuk mengendalikan materi pada skala waktu ultracepat menggunakan teknologi yang disesuaikan foton pulsa,” tulis para peneliti. Kemampuan menginduksi dan mengendalikan fase tersembunyi dalam magnetit dapat berdampak signifikan terhadap pengembangan materials dan perangkat canggih. Misalnya, materials yang dapat beralih antar keadaan elektronik yang berbeda dengan cepat dan efisien dapat digunakan dalam perangkat komputasi dan memori generasi berikutnya.

Referensi: “Pembuatan fase tersembunyi yang sangat cepat melalui fotoeksitasi elektronik yang disetel dengan energi dalam magnetit” oleh B. Truc, P. Usai, F. Pennacchio, G. Berruto, R. Claude, I. Madan, V. Sala, T. LaGrange, GM Vanacore, S. Benhabib dan F. Carbone, 20 Juni 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2316438121