Para peneliti dari Brown University dan University of Michigan telah mencapai sesuatu yang selama ini hanya dibayangkan oleh para ilmuwan. Dengan hati-hati mengatur partikel perak kecil dalam struktur yang dibuat khusus, mereka menciptakan dan menstabilkan keadaan materi yang sebelumnya sulit dipahami dan hanya ada dalam model teoritis.
Karya tersebut, diterbitkan di Sainsmenangkap keadaan struktur antara yang muncul selama transformasi antara dua susunan kristal umum yang ditemukan dalam logam. Selain mengungkap detail baru tentang bagaimana transformasi ini terjadi, material baru ini juga menunjukkan perilaku optik tidak biasa yang pada akhirnya dapat berguna untuk komputasi kuantum dan teknologi informasi kuantum lainnya.
Secara lebih luas, penelitian ini menunjukkan strategi baru untuk desain material bottom-up dengan merakit nanopartikel yang dirancang khusus menjadi struktur yang benar-benar baru dengan sifat yang dipersonalisasi.
“Pekerjaan kami seperti anak-anak yang bermain dengan balok LEGO,” kata Ou Chen, seorang profesor kimia di Brown dan penulis penelitian tersebut. “Kami mensintesis blok bangunan unik pada skala nano dan menyusunnya menjadi struktur yang menarik. Dalam hal ini, kami mampu menstabilkan struktur transisi yang diteorikan ini dan menunjukkan sifat optik kuantum yang penting.”
Menangkap langkah yang hilang dalam transformasi kristal
Banyak bahan logam secara alami menyusun atomnya dalam salah satu dari dua susunan kristal yang disebut kubik berpusat muka (FCC) dan kubik berpusat badan (BCC).
Dalam struktur FCC, partikel-partikelnya dikemas sekencang mungkin. Mereka menempati setiap sudut kubus serta bagian tengah setiap sisinya. Struktur BCC sedikit kurang padat, dengan partikel-partikel terletak di sudut-sudut kubus dan satu partikel di tengah-tengah kubus itu sendiri.
Beberapa logam dapat berubah susunannya ketika dipanaskan. Besi, misalnya, berubah dari struktur BCC menjadi struktur FCC pada suhu 912 derajat Celcius.
Para ilmuwan telah mengajukan beberapa penjelasan tentang bagaimana transformasi ini terjadi. Model terkemuka, yang dikenal sebagai jalur Nishiyama-Wassermann, memprediksi serangkaian struktur perantara berumur pendek yang terbentuk selama transisi. Fase peralihan ini sangat tidak stabil sehingga sangat sulit untuk diamati secara langsung.
Studi baru ini berhasil menciptakan kembali dan menstabilkan keadaan struktural fana ini menggunakan nanopartikel perak.
“Ilmuwan material telah lama khawatir tentang cara mengontrol jumlah FCC dan BCC dalam logam mereka, namun transisi antara fase-fase ini sulit dipelajari karena sangat tidak stabil,” kata Tim Moore, salah satu penulis studi dan asisten ilmuwan peneliti yang bekerja di laboratorium Sharon Glotzer di Universitas Michigan. “Kemampuan mengamati struktur ini merupakan kemajuan mendasar dalam ilmu material dan memberi kita kendali lebih besar terhadap rekayasa material nano.”
Membangun material baru dari nanopartikel yang dipersonalisasi
Untuk membuat struktur baru ini, para peneliti mensintesis nanopartikel perak dalam bentuk oktahedron terpotong, yang mereka sebut “mekon”. Partikel-partikel ini menyerupai bentuk berlian dengan sudut-sudutnya terpotong, menciptakan geometri 14 sisi.
Menurut Chen, bentuk tersebut sangat berguna karena berada di antara bola dan kubus, dua bentuk yang secara alami menyatu dengan cara yang berbeda.
Tim yang dipimpin oleh Yasutaka Nagaoka, peneliti utama dan penulis utama studi tersebut, menyesuaikan kondisi pemanasan selama sintesis untuk menghasilkan mekon dengan berbagai tingkat kebulatan dan karakteristik kubik. Mereka kemudian melapisi partikel-partikel tersebut dengan rantai molekul panjang yang bertindak sebagai konektor lengket dan memungkinkan mereka berkumpul menjadi struktur yang lebih besar, yang disebut superlattices nanopartikel.
Dengan menggabungkan pengamatan laboratorium dengan simulasi komputer terperinci yang dilakukan bekerja sama dengan kelompok Glotzer di Universitas Michigan, para peneliti menemukan bahwa lapisan molekuler ini memainkan peran penting dalam pengaturan stabilisasi yang sesuai dengan struktur transisi yang diprediksi oleh jalur Nishiyama-Wassermann.
“Anda bisa membayangkannya sebagai partikel berbulu,” kata Moore. “Bulu-bulunya cukup fleksibel sehingga partikel-partikelnya mempunyai lebih banyak kebebasan untuk bergerak, tetapi bulu-bulu tersebut juga dapat menyatu dengan baik, sehingga partikel-partikel tersebut dapat terjerat.”
Efek optik kuantum pada suhu kamar
Superlattice perak yang baru dirakit menunjukkan sifat luar biasa lainnya ketika terkena cahaya.
Para peneliti mengamati tanda-tanda penggandengan materi cahaya yang dalam dan kuat, sebuah fenomena di mana elektron di dalam nanopartikel perak berosilasi dalam sinkronisasi sempurna dengan gelombang cahaya dan menjadi terjerat secara mekanis kuantum.
Jenis efek optik kuantum ini sering dikaitkan dengan suhu yang sangat rendah. Namun, material baru tampaknya menunjukkan perilaku ini pada suhu kamar.
Penemuan ini dapat memberikan dasar bagi pengembangan material masa depan yang digunakan dalam komputasi kuantum, teknologi penginderaan, dan sistem kuantum canggih lainnya.
“Setiap kali Anda dapat mengidentifikasi fase materi baru, aplikasi baru akan muncul,” kata Chen.
Penelitian ini didukung oleh beberapa hibah National Science Foundation (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296) dan Departemen Energi (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975).
