Gambar kiri: atom dalam struktur Kristal (panah merah) beraksi terhadap aliran cahaya yang sangat cepat, yang akan merubahnya menjadi material yang baru, yaitu fase ferroelektrik. Gerakan getar dari atom-atom lainnya membantu menstabilkan fase tersembunyi tersebut (panel kanan). Credit: Felica Macera.
Kebanyakan dari kita hanya mengetahui keberadaan dari air dalam bentuk satu dari tiga fase: es-padat, cair-air, dan uap air-gas. Tetapi sebenarnya, keberadaan suatu materi ternyata bisa ada dalam banyak fase yang berbeda-beda — sebagai contoh, es, diketahui memiliki lebih dari sepuluh fase, atau bagaimana atom dari es secara spasial diatur. Penggunaan material piezoelektrik secara luas, seperti untuk mikrofon dan ultrasound, bisa dimungkinkan karena telah dipahami bagaimana sebuah kekuatan eksternal, seperti tekanan, temperatur atau energi listrik bisa menyebabkan terjadinya perubahan dimensi/fase pada suatu material.

Sebuah penelitian terbaru menemukan bahwa pada logam oksida terdapat fase yang tersembunyi,yang menghasilkan jenis material baru, yaitu properti ferroelektrik , kemampuan untuk memisahkan sumber energi positif dan negatif, ketika diaktifkan dengan aliran energi cahaya yang sangat cepat. Penelitian yang dipimpin oleh para peneliti MIT yang meliputi Keith A Nelson, Xian Li dan Edoardo Baldini, bekerja sama dengan Andrew M Rapped an Penn, dan mahasiswa pascasarjana Tian Qiu dan Jiahao Zhang, telah dipublikasikan di majalah Science.

Hasil kerja ini membuka pintu bagi terciptanya material yang yang bisa berubah fase/dimensi dan kembali ke fase awal dalam hitungan satu triliyun per detik hanya dengan menekan satu tombol, dan sekarang dapat dilakukan dengan sistem kontrol yang lebih baik. Dan dengan merubah potensial listrik, berbagai aspek dari material lainnya juga dapat diubah dari material yang ada, contohnya merubah sebuah insulator menjadi sebuah logam atau membalikkan polaritas magnetik. “Penelitian kami membuka jalan baru bagi proses rekonfigurasi fungsi material,” kata Rappe.

Tim peneliti mempelajari Strontium titanate (SrTiO3), sebuah material para elektrik yang digunakan pada instrumen optikal, kapasitor dan resistor. Strontium titanate memiliki struktur kristal yang simetris dan nonpolar yang bisa “dipaksa” menjadi sebuah fase dengan struktur polar dan tetragonal dengan menggunakan sepasang ion bermuatan listrik yang berbeda muatan di sepanjang sumbunya.

Kerjasama Nelson dan Rappe sebelum ini telah memberikan dasar teori untuk penelitian sekarang ini, yang bersandar pada pengalaman Nelson dalam mengunakan energi cahaya untuk mendorong terjadinya perubahan fase dalam material padat dan juga pengetahuan Rappe dalam mengembangkan model komputer dilevel atomik.

“Nelson adalah seorang eksperimentalis, dan sedangkan kami adalah teoris,” kata Rappe. “Dia bisa menuliskan apa yang sedang terjadi berdasarkankan apa yang dia fikirkan, tetapi semua itu masih berupa dugaan sampai kami membantu dengan menambahkan pemahaman fisik yang kuat atas apa yang sedang terjadi.”

Dengan kemajuan dibidang teknologi masa kini dan dengan tambahan pengetahuan yang didapat dengan bekerja dengan frekuensi terahertz, kedua ahli kimia ini kini tengah mempersiapkan pembuktian teori mereka sepuluh tahun yang lalu. Tantangan dari Rappe adalah untuk melengkapi eksperimen Nelson dengan versi komputer terbaru yang paling akurat tentang strontium titanate, dengan mensimulasikan setiap atom dari senyawa tersebut, yang merespon cahaya dengan cara yang sama seperti material yang diuji cobakan di lab.

Mereka menemukan bahwa ketika strontium titanate bereaksi terhadap cahaya, ion didalamnya ditarik kesegala arah, dengan ion bermuatan positif bergerak ke satu arah dan ion negatif ke arah yang lain. Kemudian, ion-ion tersebut tidak kembali ke tempat semula, seperti gerak pendulum ketika ditarik ke satu arah, gerakan bergetar yang diinduksikan pada atom-atom lainnya mencegah ion untuk segera kembali keposisi semula.

Seperti gerakan pendulum, pada saat ion mencapai ketinggian maksimum dari osilasinya, ion- ion tersebut sedikit demi sedikit berpindah dari tempat asalnya.

Nelson dan Rappe dapat bekerjasama sejak tahap simulasi teoritis hingga tahap eksperimen, dan akhirnya bisa menemukan bukti eksperimental yang menunjukkan bahwa teori mereka benar.

“Kerjasama yang sangat luar biasa,” kata Nelson. “Dan ini menggambarkan bagaimana semangat mewujudkan sebuah ide yang awalnya bagaikan sebuah api kecil kemudian kembali dengan tenaga penuh setelah lebih dari 10 tahun.”

Kedua ahli kimia ini akan bekerjasama dengan para insinyur dalam penelitian untuk mendorong pengembangan teknologi canggih dimasa depan, seperti terciptanya material baru yang memiliki fase-fase tersembunyi, merubah  protokol aliran cahaya untuk menciptakan fase dengan durasi yang tahan lama, dan pengaplikasiannya pada material nanomaterial. Untuk sekarang, kedua peneliti ini sudah merasa sangat puas akan pencapaian terobosan terbaru yang mereka ciptakan.

“Ini adalah mimpi dari setiap ilmuwan. Untuk bisa memecahkan suatu ide dengan rekan ilmuwan, memetakan konsekuensi dari sebuah ide, dan kemudian mempraktekkannya di dalam lab, semua itu sangat membahagiakan. Semua ini memmbuat kami berfikir, bahwa kami telah berada di jalur yang benar untuk menghadapi masa depan,” kata Rappe.*(ikons.id)