Para peneliti di University of Minnesota Twin Cities telah menunjukkan cara baru yang tak terduga untuk mengubah perilaku elektronik suatu logam. Dengan merekayasa interaksi atom secara hati-hati saat dua material bersentuhan, tim mampu mengubah sifat material logam secara signifikan.
Hasilnya, dipublikasikan di Komunikasi alamimenunjukkan bahwa fenomena yang dikenal sebagai polarisasi antar muka dapat digunakan untuk mengatur kerja permukaan logam rutenium dioksida (RuO2) lebih dari 1 elektron volt (eV). Efeknya dicapai hanya dengan mengubah ketebalan film ultra tipis beberapa nanometer.
Kontrol sifat logam pada skala atom
Polarisasi biasanya dikaitkan dengan bahan isolasi dan feroelektrik daripada logam. Namun, para peneliti telah menemukan cara untuk menstabilkan polarisasi dalam sistem logam dan menggunakannya untuk mempengaruhi perilaku elektronik.
“Kita sering menganggap polarisasi sebagai sesuatu yang dimiliki oleh isolator atau feroelektrik, bukan logam,” kata Bharat Jalan, profesor dan Ketua Shell di Departemen Teknik Kimia dan Ilmu Material di Universitas Minnesota. “Pekerjaan kami menunjukkan bahwa, melalui desain antarmuka yang cermat, Anda dapat menstabilkan polarisasi dalam sistem logam dan menggunakannya sebagai tombol untuk menyesuaikan sifat elektronik. Hal ini membuka cara berpikir yang benar-benar baru dalam mengendalikan logam.”
Tim menemukan bahwa efeknya sangat bergantung pada ketebalan lapisan logam. Perubahan paling dramatis terjadi ketika lapisan rutenium dioksida mencapai ketebalan sekitar 4 nanometer, atau kira-kira selebar satu untai DNA.
Transisi kritis pada 4 nanometer
Pada ketebalan ini, logam mengalami transisi dari keadaan tertekan yang disebabkan oleh material di bawahnya ke susunan atom yang lebih longgar. Hasilnya memberikan bukti langsung bahwa cara atom disusun di dalam suatu material dapat mempunyai pengaruh terukur terhadap karakteristik elektroniknya.
“Ini mengejutkan,” kata Seung Gyo Jeong, penulis pertama studi tersebut dan peneliti di kelompok Jalan. “Kami mengharapkan efek antarmuka yang halus, namun bukan perubahan fungsi kerja yang besar dan terkendali. Mampu memvisualisasikan pergeseran kutub pada skala atom dan menghubungkannya langsung ke pengukuran elektronik sangatlah menarik.”
Dengan mengamati pergerakan atom kecil dan menghubungkannya dengan perubahan elektronik yang besar, para peneliti dapat menunjukkan bagaimana rekayasa antarmuka dapat digunakan sebagai alat yang ampuh untuk mengendalikan logam.
Potensi aplikasi dalam elektronik dan teknologi kuantum
Selain memajukan pemahaman para ilmuwan tentang fisika dasar, penemuan ini dapat membantu memandu pengembangan perangkat elektronik, sistem katalitik, dan teknologi kuantum di masa depan.
Penelitian ini melibatkan kolaborator dari University of Minnesota Twin Cities, Massachusetts Institute of Technology, Texas A&M University, Gwangju Institute of Science and Technology, dan University of Minnesota Twin Cities School of Physics.
Pendanaan untuk pekerjaan ini disediakan oleh Departemen Energi AS dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara.
