Fisikawan Menemukan Transisi Misterius dalam Kristal Elektronik

Nationalgeographic.co.id—Ketika suhu berubah, banyak bahan yang mengalami transisi fase, seperti air cair menjadi es, atau logam menjadi superkonduktor. Terkadang, apa yang disebut sebagai hysteresis loop menyertai perubahan fase seperti itu, sehingga suhu transisi berbeda tergantung pada apakah bahan didinginkan atau dihangatkan.

Dalam kajian makalah baru yang diterbitkan di jurnal Physical Review Letters pada 20 Januari 2022 berjudul "Unconventional Hysteretic Transition in a Charge Density Wave", tim peneliti global yang dipimpin oleh profesor fisika MIT Nuh Gedik menemukan transisi histeresis yang tidak biasa dalam senyawa berlapis yang disebut EuTe4, di mana histeresis mencakup kisaran suhu raksasa lebih dari 400 kelvin. Rentang termal yang besar ini tidak hanya memecahkan rekor di antara padatan kristalin, tetapi juga menjanjikan untuk memperkenalkan jenis transisi baru dalam material yang memiliki struktur berlapis.

Temuan ini akan menciptakan platform baru untuk penelitian mendasar tentang perilaku histeresis dalam padatan pada rentang suhu ekstrem. Selain itu, banyak keadaan metastabil yang berada di dalam lingkaran histeresis raksasa menawarkan banyak peluang bagi para ilmuwan untuk mengontrol properti listrik material dengan sangat baik, yang dapat diterapkan pada sakelar listrik generasi berikutnya atau memori non-volatil, yaitu sejenis memori komputer yang menyimpan data.

Untuk penelitian ini, para ilmuwan termasuk postdoc Baiqing Lyu dan mahasiswa pascasarjana Alfred Zong PhD, 20 dari lab Gedik, serta 26 lainnya dari 14 institusi di seluruh dunia menggunakan fasilitas canggih di Amerika Serikat dan Tiongkok. Partikel bermuatan berkecepatan tinggi dalam lintasan melingkar menghasilkan sumber cahaya yang cemerlang. Memfokuskan cahaya yang intens pada EuTe4 mengungkap struktur internalnya.

Melansir Tech Explorist, Baiqing Lyu berkata, “Di EuTe4, kami malah menemukan rentang suhu yang luas untuk histeresis lebih dari 400 kelvin. Jumlah sebenarnya bisa jauh lebih besar, karena nilai ini dibatasi oleh kemampuan teknik eksperimental saat ini. Temuan ini langsung menarik perhatian kami. Karakterisasi eksperimental dan teoretis gabungan kami dari EuTe4 menantang kebijaksanaan konvensional tentang jenis transisi histeresis yang dapat terjadi dalam kristal.”

Histeresis adalah fenomena di mana respons suatu material terhadap gangguan, seperti perubahan suhu, tergantung pada sejarah material tersebut. Histeresis menunjukkan bahwa sistem terjebak dalam beberapa minimum lokal tetapi tidak global dalam lanskap energi. Dalam padatan kristal yang dicirikan oleh keteraturan jarak jauh, yaitu, di mana ada pola periodik susunan atom di seluruh kristal, histeresis biasanya terjadi pada rentang suhu yang cukup sempit, dari beberapa kelvin hingga puluhan kelvin dalam banyak kasus.

Salah satu manifestasi dari perilaku histeresis adalah pada hambatan listrik material. Dengan mendinginkan atau menghangatkan kristal EuTe4, para peneliti dapat memvariasikan resistivitas listriknya berdasarkan urutan besarnya.

“Nilai resistivitas pada suhu tertentu, katakanlah pada suhu kamar, tergantung pada apakah kristal dulu lebih dingin atau lebih panas,” jelas Zong. “Pengamatan ini menunjukkan kepada kita bahwa sifat listrik material entah bagaimana memiliki ingatan tentang sejarah termalnya, dan secara mikroskopis sifat material dapat mempertahankan sifat dari suhu yang berbeda di masa lalu. 'Memori termal' semacam itu dapat digunakan sebagai perekam suhu permanen. Misalnya, dengan mengukur hambatan listrik EuTe4 pada suhu kamar, kita langsung tahu berapa suhu terdingin atau terpanas yang pernah dialami material di masa lalu.”

Para peneliti juga menemukan beberapa keanehan dalam histeresis tersebut. Misalnya, tidak seperti transisi fase lain dalam kristal, mereka tidak mengamati modifikasi apa pun dalam struktur elektronik atau kisi di seluruh rentang suhu yang besar.

“Tidak adanya perubahan mikroskopis terlihat sangat aneh bagi kami,” ujar Lyu, “Menambahkan misteri, tidak seperti transisi histeris lainnya yang secara sensitif bergantung pada laju pendinginan atau pemanasan, loop histeresis EuTe4 tampaknya tidak terpengaruh oleh faktor ini,” tambahnya.

Salah satu petunjuk bagi para peneliti adalah cara elektron diatur dalam EuTe4. “Pada suhu kamar, elektron dalam kristal EuTe4 secara spontan mengembun menjadi daerah dengan kepadatan rendah dan tinggi, membentuk kristal elektronik sekunder di atas kisi periodik asli,” jelas Zong. "Kami percaya keanehan yang terkait dengan lingkaran histeresis raksasa mungkin terkait dengan kristal elektronik sekunder ini, di mana lapisan yang berbeda dari senyawa ini menunjukkan gerakan yang tidak teratur sambil menetapkan periodisitas jangka panjang." tegasnya.

Para ilmuwan selenjutnya merencanakan untuk menemukan cara lain dalam upaya menginduksi keadaan metastabil di EuTe4. Ini dapat memungkinkan para ilmuwan untuk mengontrol sifat listriknya dengan cara yang bernilai teknologi.

Baca Juga: Buku Elektronik untuk Para Tunanetra, Seperti Apa Teknologinya?

PROMOTED CONTENT