Komputasi

Resonator Nanomekanik: Bagaimana Komputasi Kuantum Dapat Memanfaatkan Perangkat Piezoelektrik Ini

mm
Diterbitkan
Diperbarui
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Pengungkapan: Securities.io dapat menerima kompensasi saat Anda memakai tautan ke produk yang kami ulas. Hal ini tidak memengaruhi penilaian editorial kami. Kami bukan penasihat investasi terdaftar; ini bukan saran investasi. Baca pengungkapan afiliasi kami.

Mengecilkan Sensor

Teknologi yang semakin presisi sering membutuhkan perangkat yang semakin kecil. Hal ini terlihat pada semikonduktor, dengan pengembangan proses fabrikasi kelas 2 nm oleh TSMC. Angka tersebut merupakan nama generasi proses, bukan berarti semua dimensi fisik cip berukuran tepat 2 nm.

Sumber: TSMC

Miniaturisasi juga terjadi pada perangkat mekanis, yang memanfaatkan gerak atau getaran. Resonator mekanis berskala nano menjadi salah satu komponen penting karena dapat sangat peka terhadap gaya kecil dan perubahan massa.

Para peneliti di Chalmers University of Technology, Swedia, dan Universitas Magdeburg, Jerman, mengembangkan resonator dengan menggabungkan kinerja mekanis tinggi dan sifat piezoelektrik. Penelitian ini memperluas pilihan material, bukan berarti resonator sebelumnya hanya dapat dibuat dari bahan isolator.

Tim tersebut membuat resonator aluminium nitrida kristalin yang memiliki dua keunggulan: faktor kualitas mekanis tinggi dan sifat piezoelektrik. Hasilnya diterbitkan di Advanced Materials dengan judul “Resonator AlN Kristalin Nanomekanik dengan Faktor Kualitas Tinggi untuk Optoelektromekanika Kuantum1”.

Resonator Nanomekanik

Resonator adalah komponen yang dapat bergetar kuat pada frekuensi tertentu, seperti garpu tala. Getaran garpu tala menghasilkan gelombang suara yang dapat kita dengar.

Resonator kini dapat dibuat pada skala mikrometer dan nanometer. Perangkat kecil ini dapat memiliki frekuensi tinggi dan kepekaan besar, sehingga berguna untuk pengukuran mikroskopis. Kinerjanya tetap bergantung pada desain, material, dan kondisi operasi.

Resonator nanomekanik berkepekaan tinggi dapat mendukung pengukuran gaya sangat kecil, termasuk eksperimen terkait spin proton tunggal atau gravitasi antara massa kecil. Ini merupakan contoh bidang penerapan, bukan bukti bahwa semua pengukuran tersebut telah dilakukan dengan perangkat AlN baru ini.

Membuat Resonator Lebih Berguna

Banyak resonator nanomekanik dengan faktor kualitas sangat tinggi dibuat dari silikon nitrida yang diberi regangan tarik. Material ini memiliki sifat mekanis unggul, tetapi bersifat isolator dan tidak piezoelektrik, sehingga penggabungannya dengan fungsi elektronik langsung menghadapi tantangan.

Untuk mengendalikan atau membaca getaran secara elektrik, perangkat semacam itu dapat memerlukan lapisan atau komponen tambahan. Namun, penambahan material bukan satu-satunya cara berinteraksi dengan resonator; pembacaan optik juga dimungkinkan.

Lapisan tambahan dapat meningkatkan kerumitan fabrikasi dan menambah kehilangan energi, sehingga berpotensi menurunkan faktor kualitas resonator.

Sebagai alternatif, tim membuat resonator dari aluminium nitrida dengan regangan tarik. Material ini piezoelektrik sekaligus mampu mencapai faktor kualitas mekanis tinggi, yang dinyatakan sebagai Qm.

Tim melaporkan faktor kualitas lebih dari 10 juta. Hasil tersebut menunjukkan potensi aluminium nitrida berregangan tarik sebagai platform untuk sensor dan transduser kuantum.

Witlef Wieczorek — profesor fisika di Departemen Mikroteknologi dan Nanosains, Chalmers University of Technology.

Material piezoelektrik menghasilkan perubahan polarisasi listrik ketika mengalami tegangan mekanis. Sebaliknya, medan listrik dapat menyebabkan deformasi mekanis pada material tersebut.

Pada kristal piezoelektrik seperti AlN, susunan atom tidak memiliki pusat simetri. Ketika diberi tegangan mekanis, perpindahan relatif muatan mengubah polarisasi dan dapat menghasilkan sinyal listrik.

Sifat piezoelektrik bawaan AlN membuka peluang menghubungkan getaran mekanis dengan sistem elektronik secara lebih langsung, termasuk untuk pembacaan sensor. Realisasi perangkat lengkap tetap memerlukan rekayasa dan pengujian lebih lanjut.

Bagaimana Cara Pembuatannya

Menurut artikel penelitian, tim menumbuhkan lapisan AlN setebal 290 nm pada substrat silikon. Lapisan awal memiliki tegangan tarik sisa sekitar 1,4 GPa; tegangan setelah struktur dilepaskan berada di sekitar 1 GPa.

Tim mengembangkan geometri bernama triangline, dengan bagian tengah berbentuk segitiga dan struktur penyangga bercabang.

Kinerja pada suhu ruang membuka jalan menuju pengoperasian optoelektromekanis kuantum. Namun, faktor kualitas tinggi saja tidak membuktikan bahwa keadaan kuantum tunggal yang koheren telah disiapkan dan dipertahankan pada suhu ruang dalam eksperimen ini.

Langkah Selanjutnya

Sebagai demonstrasi awal platform ini, resonator aluminium nitrida tersebut masih berpeluang ditingkatkan.

Langkah berikutnya mencakup peningkatan faktor kualitas serta pengembangan antarmuka piezoelektrik yang andal untuk pengindraan dan transduksi kuantum.

Aplikasi

Salah satu kemungkinan penerapannya berada dalam teknologi kuantum. Komputer kuantum memanipulasi bit kuantum atau qubit melalui operasi terkontrol, lalu melakukan pengukuran untuk memperoleh hasil.

Dua konsep penting adalah superposisi dan keterikatan kuantum. Keduanya memiliki peran berbeda:

  • Superposisi memungkinkan keadaan qubit berupa kombinasi keadaan dasar 0 dan 1. Pengukuran memberikan hasil tertentu, bukan seluruh kemungkinan data secara bersamaan.
  • Keterikatan kuantum menghasilkan korelasi antara qubit yang tidak dapat dijelaskan sebagai keadaan masing-masing secara terpisah. Korelasi ini tidak memungkinkan pengiriman informasi lebih cepat daripada cahaya.

Dengan algoritma yang sesuai, unit pemrosesan kuantum dapat menawarkan keunggulan untuk masalah tertentu. Hal ini tidak berarti semua persoalan kompleks otomatis dapat diselesaikan lebih cepat hanya dengan mencoba semua jawaban sekaligus.

Qubit rentan terhadap gangguan, dan pengendalian serta pengukurannya menantang. Resonator piezoelektrik berkinerja tinggi pada suhu ruang dapat membantu pengembangan antarmuka baru, tetapi penelitian ini belum membuktikan komputer kuantum lengkap berbiaya rendah atau tanpa pendinginan.

Resonator AlN dapat menjadi salah satu komponen dalam sistem kuantum hibrida. QPU umumnya dikembangkan untuk melengkapi pemroses klasik pada tugas tertentu, bukan otomatis menggantikan CPU. Lihat “Unit Pemrosesan Kuantum: Masa Depan Komputasi” dan “Perkembangan Terkini Komputasi Kuantum”.

Penerapan lain mencakup perangkat yang membutuhkan derau rendah dan waktu koherensi panjang, seperti suspensi cermin, sistem optomekanika rongga kuantum, dan sensor nanomekanik. Sifat optik AlN juga menarik untuk integrasi fotonik, tetapi tidak berarti resonator ini sudah menjadi komponen siap pakai bagi semua LED atau komputer fotonik.

Penelitian ini menggambarkan potensi material piezoelektrik untuk teknologi mendatang. Artikel terkait berikut membahas bidang tersebut:

Berinvestasi dalam Nanoteknologi

Nanoteknologi berkembang melampaui fabrikasi semikonduktor, dengan penelitian material dan perangkat untuk industri dirgantara, bioteknologi, energi, dan kimia.

Investasi pada perusahaan nanoteknologi dapat dilakukan melalui pialang. Di securities.io tersedia panduan untuk Amerika Serikat, Kanada, Australia, Inggris, dan berbagai negara lainnya.

ETF dapat menawarkan eksposur pada sejumlah perusahaan terkait, misalnya ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Sementara itu, Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) telah dilikuidasi pada 24 Februari 2023 sehingga bukan pilihan investasi yang masih tersedia pada tanggal artikel ini di tahun 2024. Tautan metodologinya merupakan bahan historis.

Lihat juga daftar “10 Saham Nanoteknologi” dan “5 Perusahaan Komputasi Kuantum”.

Perusahaan Resonator

SITM Grafik Harga

Semakin kompleks komputer dan perangkat elektronik, semakin penting sinyal waktu yang akurat. Dalam sistem keselamatan, kegagalan pewaktuan bahkan dapat membawa konsekuensi serius.

SiTime (SITM ) berfokus pada perangkat pewaktuan presisi berbasis silikon MEMS. Perangkat ini memiliki fungsi yang sebanding dengan osilator kristal kuarsa, dengan keunggulan tertentu bergantung pada produk dan kondisi pemakaian:

  • Ketahanan terhadap guncangan, getaran, perubahan suhu, serta gangguan yang dapat memengaruhi jitter dan derau.
  • Ukuran kecil dan pilihan konsumsi daya rendah.
  • Fungsi yang dapat diprogram dan kinerja yang disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi.

Sumber: SiTime

SiTime memosisikan diri sebagai perusahaan pewaktuan presisi. Angka pertumbuhan 30–35% dan pangsa 90% dalam materi promosi historis harus dikaitkan dengan definisi segmen dan periode yang digunakan perusahaan, bukan dianggap sebagai pangsa seluruh pasar pewaktuan atau pertumbuhan tahunan yang pasti.

Dengan model semikonduktor fabless, SiTime berfokus pada perancangan dan kekayaan intelektual, sementara manufaktur dilakukan melalui mitra. Model ini memiliki kesamaan umum dengan Nvidia (NVDA ) untuk GPU dan cip AI.

Perangkat pewaktuan presisi mendukung berbagai perkembangan komputasi dan telekomunikasi:

  • Konektivitas 5G membutuhkan sinkronisasi yang baik. Perbandingan kecepatan dengan 4G bergantung pada spektrum, jaringan, dan kondisi penggunaan, bukan selalu tepat 10 kali.
  • Pusat data terus meningkatkan laju transfer dan kapasitas komputasi, termasuk untuk AI. Kebutuhan pewaktuannya bergantung pada antarmuka dan desain sistem.
  • Kendaraan menggabungkan semakin banyak elektronik, termasuk sistem bantuan pengemudi dan kendaraan otonom. Pewaktuan yang andal penting untuk menyelaraskan sensor dan pemrosesan.
    • SiTime memperkenalkan teknologi FailSafe yang menggabungkan resonator, osilator, pembangkitan clock, dan mekanisme keselamatan. Dalam rencana historis yang dibahas pada 2024, pengiriman volume dijadwalkan mulai 2025; itu merupakan proyeksi saat itu, bukan konfirmasi hasil pengiriman.
  • Bidang dirgantara, termasuk peluncuran dan internet satelit berlatensi rendah seperti yang dikembangkan SpaceX, juga membutuhkan perangkat pewaktuan.

SiTime tercatat di Nasdaq pada 2019 dan memperluas portofolio perangkat pewaktuannya. Namun, pertumbuhannya tidak berlangsung tanpa jeda: pendapatan 2023 turun menjadi sekitar US$144,0 juta dari US$283,6 juta pada 2022. Karena itu, pendapatan dan margin tidak boleh digambarkan terus meningkat setiap tahun.

Sumber: SiTime

Dalam materi historisnya, perusahaan memperkirakan pasar yang dapat dilayaninya atau serviceable addressable market (SAM) meningkat dari US$1 miliar pada 2021 menjadi US$4 miliar pada 2024, dalam pasar pewaktuan yang lebih luas sekitar US$10 miliar. Ini adalah estimasi peluang pasar, bukan pendapatan SiTime.

Sumber: SiTime

Perusahaan menyebut investasi penelitian dan pengembangan kumulatif lebih dari US$500 juta dalam materi historisnya. Biaya pengembangan, keahlian teknis, paten, dan proses kualifikasi pelanggan dapat menjadi hambatan masuk pada segmen MEMS. Namun, hal itu tidak menjamin satu perusahaan akan selalu menguasai suatu segmen.

SiTime berfokus pada MEMS untuk pewaktuan, sementara perusahaan lain memiliki keahlian pada segmen berbeda, seperti Broadcom (AVGO ) pada frekuensi radio dan Bosch pada sensor inersia. Latar belakang teknologi SiTime berkaitan dengan pengembangan di Bosch. SiTime kemudian diakuisisi MegaChips dari Jepang dan menjalani pencatatan saham pada 2019.

Pusat data AI, 5G, komunikasi satelit, dan kendaraan otonom dapat meningkatkan kebutuhan pewaktuan presisi. Hal ini menawarkan peluang bagi SiTime, tetapi kecepatan pertumbuhan setiap pasar dan pendapatan perusahaan tidak terjamin.

Referensi Studi:

1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical crystalline AlN resonators with high quality factors for quantum optoelectromechanics. Advanced Materials, 36(44), 2403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155

mm

Jonathan adalah mantan peneliti biokimia yang bekerja dalam analisis genetik dan uji klinis. Ia kini menjadi analis saham dan penulis keuangan dengan fokus pada inovasi, siklus pasar, dan geopolitik dalam publikasinya 'The Eurasian Century'.