Komputasi
Menggunakan Laser untuk Memagnetkan Zat Non-Magnetik Dapat Mengubah Komputer Modern
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Komputasi kuantum memiliki potensi besar. Itu dapat sepenuhnya mengubah industri dan mengubah cara kita memahami alam semesta. Dengan menggabungkan prinsip mekanika kuantum dengan ilmu komputer, komputasi kuantum memungkinkan masalah kompleks diselesaikan dengan mudah dengan memproses sejumlah besar data secara paralel serta mengeksplorasi banyak solusi.
Dengan cara ini, komputer kuantum dapat membantu dalam penemuan obat, pemodelan iklim, meningkatkan kemampuan AI, dan menyelesaikan masalah optimisasi. Mereka juga memiliki potensi dalam keamanan siber dengan memecahkan metode enkripsi yang ada dan menciptakan sistem enkripsi kuantum yang tidak dapat dipecahkan.
Selama bertahun‑tahun, kita telah membuat kemajuan signifikan dalam komputasi kuantum, termasuk supremasi kuantum, kode koreksi kesalahan, dan komputer kuantum berbasis cloud. Namun, kemajuan ini sebagian besar terbatas pada suhu sangat rendah di laboratorium, yang mungkin akan berubah.
Sekarang, peneliti di Institut Fisika Teoritis Nordik (NORDITA), sebuah kolaborasi antara lima negara Nordik, Universitas Stockholm, dan Universitas Ca’ Foscari di Venesia, berhasil menunjukkan perilaku kuantum pada suhu ruang dengan memanfaatkan cahaya laser. Untuk pertama kalinya, cahaya laser dapat membuat bahan non‑magnetik menjadi magnetik.
Hal ini sangat penting karena magnetisme memainkan peran kunci dalam cara kerja komputer. Memori komputer menggunakan elektromagnet skala kecil yang dimagnetisasi dengan tegangan untuk memungkinkan keadaan biner “on” atau “off.” Cara atom dan elektron bereaksi terhadap medan magnet memungkinkan perangkat elektronik membaca, menulis, dan memanipulasi data.
Dalam studi baru ini, peneliti menunjukkan betapa paparan bahan non‑magnetik terhadap radiasi laser frekuensi tinggi dapat menghasilkan efek magnetik pada suhu ruang.
Terobosan baru ini berpotensi membuka jalan bagi komputer yang lebih hemat energi dan lebih cepat, transfer informasi, serta penyimpanan data. Ini menunjukkan janji luar biasa dalam merevolusi elektronik, khususnya mesin yang dibangun menggunakan teknologi kuantum, yang biasanya beroperasi pada suhu mendekati nol mutlak (-273 derajat Celsius).
Mengubah Bahan Non‑Magnetik Menjadi Magnetik
Dalam studi terbaru, peneliti menggunakan strontium titanat (SrTiO₃), sebuah oksida dari strontium (Sr) yang sangat reaktif secara kimia dan titanium (Ti) yang ringan. Pada suhu yang dapat dihuni manusia, ia memiliki struktur perovskit dan dikenal karena konstanta dielektriknya yang tinggi.
Bahan ini dikenai cahaya dari laser frekuensi tinggi, yang menggerakkan atom‑atom dan memobilisasikannya. Hal ini menghasilkan arus listrik di dalam strontium titanat, menjadikannya magnetik.
Mengenai kebaruan metode mereka, penulis utama studi, Stefano Bonetti, seorang fisikawan di Universitas Stockholm, dan Ca’ Foscari, mengatakan bahwa itu adalah:
“Dalam konsep membiarkan cahaya menggerakkan atom dan elektron dalam bahan ini dalam gerakan melingkar, sehingga menghasilkan arus yang membuatnya se‑magnetik magnet kulkas.”
Mengubah bahan non‑magnetik menjadi magnetik bukanlah hal baru. Hal ini sebelumnya telah diprediksi dan diteliti.
Pada tahun 2015, Nature menerbitkan penelitian yang menemukan bahwa tembaga dan mangan, dua logam non‑magnetik umum, dapat diubah menjadi magnet dengan menggabungkan lapisan tipis logam tersebut dengan molekul organik berbasis karbon. Meskipun hasilnya diperoleh pada suhu ruang, magnetisme yang dihasilkan lemah dan menghilang setelah beberapa hari.
Eksperimen ini didasarkan pada teori tahun 1930‑an oleh fisikawan teoretis Edmund Stoner dari University of Leeds, yang menyelidiki apa yang memungkinkan suatu unsur menjadi magnetik.
Pada tahun 2020, sebuah tim peneliti juga berhasil memodifikasi bahan oksida non‑magnetik dan menjadikannya magnetik melalui pertumbuhan berlapis terkontrol masing‑masing bahan. Pada tahun yang sama, tim peneliti lain menggunakan listrik untuk mengaktifkan magnetisme pada pirit (seng sulfida) yang non‑magnetik. Teknik yang digunakan dalam studi ini adalah gating elektrolit, yang melibatkan pirit yang bersentuhan dengan elektrolit (cairan ionik) dan kemudian menerapkan satu volt listrik yang memindahkan molekul bermuatan positif dan menciptakan gaya magnetik yang dapat diukur. Dalam kasus ini, mematikan tegangan juga menghentikan magnetisme.
Penggunaan cahaya untuk mengubah sifat material juga telah menarik perhatian ilmiah yang signifikan selama beberapa waktu.
Masalahnya, magnet dan medan magnet biasanya dihasilkan oleh arus yang beredar. Pada tahun 2019, fisikawan menerangi cakram logam non‑magnetik dengan cahaya terpolarisasi linear, menghasilkan arus listrik beredar dan magnetisme muncul secara spontan pada cakram. Secara prinsip, metode ini dapat mengubah logam non‑ferrous menjadi magnet “sesuai permintaan” menggunakan cahaya laser.
Menggunakan Cahaya untuk Memutar Atom & Menghasilkan Arus
Magnetisasi yang disebabkan oleh rotasi pada skala makroskopik dikenal sebagai efek Barnett. Di bawah efek ini, sebuah material diputar sepenuhnya untuk menyelaraskan rotasi sudut bawaan elektron material magnetik yang tidak teratur sehingga menghasilkan medan magnet bersih di dalamnya.
Dalam percobaan baru, rotasi pada skala atom dilakukan pada material non‑magnetik dengan mengandalkan pulsa laser terpolarisasi melingkar. Pulsa‑pulsa tersebut memutar atom dalam material untuk menghasilkan fonon kiral kolektif, yaitu getaran terpolarisasi melingkar yang resonan dengan frekuensi laser.
Untuk ini, sumber cahaya baru dikembangkan di wilayah inframerah jauh (FIR), yang terpolarisasi melingkar, artinya memiliki bentuk ‘sekrup’. Ketika cahaya laser dengan polarisasi jenis ini memasuki material, polarisasi melingkar tersebut kemudian ditransfer ke atom‑atomnya dengan memutarnya dan menghasilkan arus atomik. Jika frekuensi cahaya cocok dengan frekuensi getaran atom, efeknya diperkuat, dan sebagai hasilnya, magnetisme yang cukup besar dihasilkan.
Jadi, percobaan yang dilakukan oleh kelompok internasional yang dipimpin Bonetti kemudian mengenakan material kuantum strontium titanat (SrTiO3) pada sinar laser intens namun pendek dengan panjang gelombang dan polarisasi khusus untuk menginduksi magnetisme. Pulsa sepanjang 800 nm, picodetik, dipancarkan dari laser inframerah jauh berukuran 100 µm.
Secara khusus, rotasi Kerr dari pulsa probe diukur. Tim juga menggunakan berbagai suhu, mulai dari 160 hingga 360 Kelvin. Hal ini menunjukkan bahwa respons tertinggi dicapai pada 280 K (7°C). Pada titik ini, medan listrik terahertz pulsa resonan dengan mode fonon optik pertama material.
Dalam studi terbaru yang dipublikasikan di Nature, penulis utama Bonetti mencatat bahwa ini pertama kalinya mereka dapat menginduksi dan melihat secara jelas bagaimana material tersebut menjadi magnetik pada suhu ruang.
Pendekatan ini lebih lanjut memungkinkan tim “membuat material magnetik dari banyak isolator, padahal magnet biasanya terbuat dari logam,” tambahnya.
Sementara itu, tingkat magnetisasi yang diinduksi melalui teknik laser diukur menggunakan efek yang sudah mapan di mana cahaya dipantulkan dari material secara berbeda tergantung pada magnetismenya.
Dalam percobaan mereka, pengukuran menunjukkan bahwa material telah menjadi magnetik. Namun, besarnya magnetisasi yang diinduksi berdasarkan metode teoretis yang diketahui untuk menghitung kuantitas ini sekitar empat orde magnitudo lebih besar daripada yang diharapkan. Perbedaan ini dikaitkan dengan penyederhanaan berlebih yang dilakukan oleh fisikawan dalam perhitungan mereka.
Kelompok peneliti lain menggunakan pulsa laser inframerah terpolarisasi melingkar untuk secara sementara menginduksi efek magnetik pada material non‑magnetik.
Ilmuwan dari Universitas Radboud, Belanda, bekerja sama dengan Universitas Nihon, Jepang, melakukan hal ini, tetapi alih‑alih pulsa broadband konvensional, mereka menggunakan pulsa sangat sempit dari laser bebas elektron FELIX, yang memungkinkan mereka menargetkan getaran kisi tertentu pada resonansi dengan lebih baik. Mereka selanjutnya menggunakan magnetisasi yang dihasilkan untuk mengubah magnetisasi paduan magnetik.
Menurut para peneliti ini, resonansi fononik dapat digunakan sebagai cara baru dan cepat untuk menulis data ke media magnetik. Mengubah arah rotasi cahaya terpolarisasi melingkar juga memungkinkan tim mengubah arah magnetisasi.
Peningkatan Penggunaan Cahaya Laser
Penggunaan cahaya laser berkembang pesat. Baru minggu ini, ilmuwan membuat penemuan baru: Sebuah berkas laser terfokus dapat mengubah keadaan magnetik bahan padat, menunjukkan potensi besar dalam memori komputasi ultracepat.
Untuk ini, para ilmuwan menyiapkan persamaan “elemental” baru yang menggambarkan hubungan antara frekuensi dan amplitudo medan magnetik cahaya serta sifat penyerapan energi dari material magnetik. Menurut Amir Capua, seorang profesor fisika di Universitas Ibrani Yerusalem:
“Ini memungkinkan kita untuk sepenuhnya mempertimbangkan kembali perekaman magnetik optik dan menavigasi jalan menuju perangkat penyimpanan magnetik optik yang padat, hemat energi, dan biaya efisien yang belum ada.”
Teknologi ini diharapkan akan menghasilkan komponen MRAM yang lebih cepat dan lebih efisien di masa depan.
Ukuran pasar teknologi laser global sebenarnya diproyeksikan tumbuh menjadi $29,5 miliar sebelum dekade berakhir, naik dari penilaian $20 miliar saat ini. Angka‑angka ini disebabkan oleh potensi luas laser di berbagai industri.
Laser adalah perangkat optik yang menghasilkan berkas cahaya dengan merangsang emisi radiasi. Karena sifat unik cahaya ini, seperti intensitas tinggi, koherensi, monokromatisitas, dan arah yang terfokus, laser banyak digunakan dalam bidang kedokteran, komunikasi, ilmu pengetahuan, militer, dan lain‑lain. Akibatnya, banyak penemuan dan percobaan terjadi di bidang laser.
Baru‑baru ini, ilmuwan di Rumania menciptakan emisi laser paling kuat di dunia, yang memiliki sepersepuluh daya yang dipancarkan matahari dan diterima di Bumi. Dipasang di sebuah pusat dekat Bucharest, dioperasikan oleh perusahaan Prancis Thales, laser tersebut dilaporkan memiliki output 10 petawatt (10 kuadriliun watt). Puncaknya hanya tercapai selama periode yang sangat singkat, sekitar 25 femtosekon, dan dengan lebar hanya tiga mikrometer.
Para ilmuwan berharap laser ini akan membawa kemajuan revolusioner di berbagai sektor mulai dari kesehatan hingga luar angkasa. Penemuan ini dapat diterapkan untuk mengolah limbah nuklir dan membersihkan puing‑puing antariksa.
Dalam penelitian terbaru lainnya, fisikawan RIKEN mewujudkan pulsa cahaya laser yang sangat pendek dengan daya puncak 6 triliun watt. Ini setara dengan daya yang dihasilkan oleh 6.000 pembangkit listrik tenaga nuklir. Pencapaian ini bertujuan membantu mengembangkan laser attosekon yang dapat memungkinkan studi elektron.
Tahun lalu, Anne L’Huillier, Pierre Agostini, dan Ferenc Krausz dianugerahi Hadiah Nobel Fisika atas penelitian mereka tentang pulsa cahaya attosekon (satu kuintiliun detik).
Pulsa laser ultra‑pendek ini dapat membantu menerangi proses yang sangat cepat, memberikan ilmuwan cara yang kuat untuk menangkap dan menyelidikinya.
“Dengan memungkinkan penangkapan gerakan elektron, laser attosekon telah memberikan kontribusi besar pada ilmu dasar.”
– Eiji Takahashi dari RIKEN Center for Advanced Photonics
Mereka diharapkan akan digunakan untuk mendiagnosis kondisi medis, mengamati sel biologis, dan mengembangkan material baru.
Potensi Masa Depan Magnetisme yang Diinduksi Laser
Didanai oleh ERC Synergy Grant dan Knut and Alice Wallenberg Foundation, studi yang mengubah bahan non‑magnetik menjadi magnetik pada suhu ruang mencatat bahwa dalam fisika, keteraturan kolektif materi adalah salah satu fenomena paling dasar dan menarik, dan multiferroikitas dinamis telah diperkenalkan untuk menggambarkan munculnya magnetisasi.
“Secara sederhana, gerakan rotasi koheren ion dalam kristal menghasilkan momen magnetik sepanjang sumbu rotasi,” demikian pernyataannya.
Karena mekanisme ini, tim berhasil menunjukkan magnetisasi pada perovskit paraelektrik arketipal SrTiO3. Hasil ini telah direproduksi di beberapa laboratorium lain.
Namun, magnetisme material tersebut hanya bertahan sekitar satu triliun detik. Itu belum cukup lama untuk menemukan aplikasinya dalam memori komputer.
Dengan demikian, ini merupakan titik awal yang bagus di mana para ilmuwan akhirnya dapat menghubungkan teori dengan praktik. Hal ini tentu memiliki potensi aplikasi teknologi penting yang akan terwujud seiring waktu dengan penelitian lebih lanjut.
Temuan percobaan, menurut penelitian, menunjukkan jalur baru untuk kontrol magnetisme. Ini dapat dimanfaatkan untuk saklar magnetik yang sangat cepat, misalnya melalui kontrol koheren getaran kisi menggunakan cahaya.
Selain itu, meskipun studi ini dimulai dengan strontium titanat, material yang lebih kompleks dapat dieksplorasi di masa depan yang mungkin dapat mempertahankan magnetismenya lebih lama. Dari sini, satu‑satunya jalan adalah maju dengan penemuan menarik lebih banyak yang akan membuka pintu penggunaan dalam perangkat komputasi.
Sebagaimana dikatakan oleh penulis studi Alexander Balatsky, profesor fisika di NORDITA:
“Ini dapat digunakan untuk transfer informasi yang lebih cepat dan penyimpanan data yang jauh lebih baik, serta untuk komputer yang secara signifikan lebih cepat dan lebih hemat energi.”
Jadi, meskipun hasilnya menjanjikan dan dapat menghasilkan peningkatan besar dalam elektronik dan komputasi yang berbasis magnetisasi, pekerjaan lebih lanjut masih diperlukan.
Klik di sini untuk mempelajari keadaan terkini komputasi kuantum.
