Penelitian sering kali terungkap sebagai proses multitahap. Solusi atas satu pertanyaan dapat memicu pertanyaan lain, menginspirasi para ilmuwan untuk menjangkau lebih jauh dan melihat masalah yang lebih besar dari beberapa perspektif berbeda. Proyek-proyek semacam ini sering kali dapat menjadi katalisator kolaborasi yang memanfaatkan keahlian dan kemampuan berbagai tim dan institusi seiring pertumbuhan mereka.
Selama setengah abad, para ilmuwan telah menyelidiki misteri tantalum disulfida fase 1T (1T-TaS2), bahan berlapis anorganik dengan beberapa sifat kuantum yang menarik, seperti superkonduktivitas dan gelombang kepadatan muatan (CDW).
Untuk mengungkap struktur kompleks dan perilaku material ini, para peneliti dari Jozef Stefan Institute di Slovenia dan Université Paris-Saclay di Prancis menghubungi para ahli dengan memanfaatkan garis pancaran Fungsi Distribusi Pasangan (PDF) di National Synchrotron Light Source II (NSLS-II ), Fasilitas Pengguna Kantor Sains Departemen Energi (DOE) AS yang berlokasi di Laboratorium Nasional Brookhaven DOE, untuk mempelajari lebih lanjut tentang struktur material.
Meskipun tim di Slovenia telah mempelajari materi semacam ini selama beberapa dekade, mereka masih kekurangan karakterisasi struktural spesifik yang dapat diberikan oleh PDF.
Hasil kerjasama ini, baru-baru ini dipublikasikan di Alam Komunikasi, mengungkapkan keadaan elektronik tersembunyi yang hanya dapat dilihat oleh probe struktur lokal seperti teknik fungsi distribusi pasangan. Dengan pemahaman yang lebih lengkap tentang 1T-TaS2Dalam keadaan elektronik, suatu hari nanti material ini mungkin berperan dalam penyimpanan data, komputasi kuantum, dan superkonduktivitas.
Sudut pandang yang lebih baik memberikan pandangan yang lebih baik
Ketika para ilmuwan mempelajari suatu bahan, terkadang mereka ingin melihat susunan atom dalam rentang pendek—skala 10 nanometer—dan terkadang mereka ingin melihat bagaimana pola struktur atom berulang dalam jangka panjang, seperti skala mikrometer. .
Perbedaan antara skala-skala ini sebanding dengan melihat beberapa bangunan berbeda di satu jalan versus cara bangunan disusun di beberapa blok kota. Masing-masing tugas tersebut memerlukan sudut pandang yang sangat berbeda. Saat mempelajari sifat suatu material, peneliti mungkin hanya bisa melihat perilaku tertentu pada skala panjang tertentu.
“Kami melakukan beberapa jenis pengukuran pada garis pancaran,” jelas ilmuwan utama garis pancaran Milinda Abeykoon. “Biasanya, kami menggunakan difraksi bubuk sinar-X (XRD) untuk mengkarakterisasi urutan sampel jangka panjang, namun dalam materi ini, kami menduga adanya fitur urutan jarak pendek yang berdampingan dapat menghasilkan sifat-sifat yang menarik, jadi PDF adalah ideal untuk karakterisasi struktural semacam ini.
“Beamline juga memiliki peralatan khusus, seperti gabungan cryostream dan pengaturan blower udara panas, yang sangat penting bagi kami untuk menemukan beberapa fitur halus yang bergantung pada suhu dari bahan ini pada rentang suhu yang sangat luas.”
“Anda dapat memiliki material yang terlihat seperti sistem ideal dan tertata dalam jangka panjang ketika diamati menggunakan XRD, namun penyimpangan struktural pada skala yang lebih pendek dapat dideteksi ketika PDF digunakan,” kata Emil Bozin, ilmuwan yang memimpin penelitian PDF dalam penelitian tersebut. Divisi Ilmu Fisika dan Material Terkondensasi (CMPMS) di Laboratorium Nasional Brookhaven dan salah satu penulis utama makalah ini.
“Jika kami tidak menerapkan teknik ini, kami tidak akan dapat melihat bahwa sebenarnya ada tatanan jarak pendek tersembunyi dalam sistem yang telah terlewatkan oleh semua probe yang digunakan sebelumnya. Ada aspek struktural lokal yang penting di dalamnya.”
1T-TaS2: Materi berlapis yang penuh kejutan
Dichalcogenides logam transisi, atau TMD, adalah kelas bahan yang dibuat dengan lapisan atom yang tipis. TMD menampilkan logam transisi yang berada di antara dua lapisan kalkogen, bahan yang mengandung oksigen, belerang, dan selenium. Masing-masing lapisan material ini hanya setebal satu atom—sepersejuta ketebalan sehelai rambut manusia.
Dalam kasus 1T-TaS2, lapisan tipis tantalum diapit di antara dua lapisan belerang. Setiap material mempunyai struktur berlapisnya sendiri yang khas, namun ketika lapisan-lapisan tersebut digabungkan, elektron berinteraksi satu sama lain dalam lingkungan yang berbeda ini dan menciptakan sifat-sifat baru.
TMD telah dipelajari selama beberapa dekade karena menunjukkan CDW yang menarik namun kompleks saat didinginkan. PRTA adalah penyelarasan tarif jangka panjang tertentu yang dapat didorong oleh berbagai faktor; dalam bahan TMD yang berbeda, lapisan ditumpuk dengan cara yang sedikit berbeda. Bagaimana tatanan struktur itu sendiri menciptakan suatu sistem yang sangat spesifik.
1T-TaS2 istimewa dalam banyak hal. Seperti TMD lainnya, TMD ini menunjukkan CDW, namun berbeda dengan TMD lain yang tetap bersifat logam, artinya TMD menghantarkan arus listrik dengan baik, sistem khusus ini sebenarnya berinsulasi dalam kondisi CDW-nya.
CDW merupakan fenomena kuantum yang melibatkan pergerakan elektron yang membentuk pola berulang di dalam suatu material. Pengaturan ini mempengaruhi sifat elektronik dan struktural material, membukanya untuk berbagai aplikasi, termasuk penyimpanan memori, sensor teknologi, dan komputasi kuantum.
Fitur penting lainnya dari 1T-TaS2 adalah bahwa ia merupakan bahan kandidat untuk cairan spin kuantum. Cairan spin kuantum adalah sistem paramagnetik, artinya material tersebut tidak memiliki tatanan magnet jarak jauh. Karena fluktuasi kuantum, putarannya tidak pernah teratur, bahkan pada suhu rendah. Bahan-bahan ini dicirikan oleh keterikatan kuantum, yang telah menarik perhatian para peneliti di bidang komputasi kuantum topologi.
“Ini adalah konsep yang telah dieksplorasi secara mendalam secara teoritis,” kata Bozin, “tetapi hanya ada sedikit data mengenai realisasi sistem sebenarnya dari konsep-konsep ini. Meskipun kami tidak membahas masalah ini secara langsung dalam penelitian kami, ini adalah salah satu fitur utama dari materi ini yang membuatnya sangat menarik. Jika terbukti bahwa keadaan cair putaran teoretis material ini benar-benar dapat distabilkan, hal ini membuka kemungkinan baru dalam dunia ilmu informasi kuantum.”
Menyinari fase baru
“1T-TaS2 tidak hanya menarik karena potensinya dalam komputasi kuantum. Ada juga aplikasi dalam komputasi klasik yang memiliki kepentingan praktis lebih cepat,” kata Dragan Mihailovic, kepala departemen masalah kompleks di Jozef Stefan Institute di Slovenia dan salah satu penulis utama makalah ini.
“Kami menemukan bahwa material ini menghasilkan sesuatu yang sangat luar biasa ketika terkena gelombang cahaya atau listrik yang sangat singkat. Pulsa ini dapat menyebabkan perubahan konfigurasi muatan dalam CDW, yang pada gilirannya menyebabkan penurunan hambatan listrik yang besar.
“Pada suhu rendah, perubahan ini dapat memasuki kondisi konduksi 'metastabil', yang dapat dialihkan kembali ke kondisi isolasi sesuai keinginan. Hal ini memiliki penerapan praktis dalam komputasi, seperti penyimpanan memori, yang sudah mulai dieksplorasi oleh tim di Slovenia bersama para pemain kunci di industri teknologi.
“Keunggulan utama datang dari fakta bahwa perangkat tersebut menunjukkan waktu peralihan resistensi sub-pikodetik dan memiliki disipasi terendah dalam kisaran atto-Joule. Dikombinasikan dengan sifat perputaran dan penskalaan yang luar biasa, perangkat 'memori konfigurasi pengisian daya' berdasarkan 1T-TaS2 sangat menjanjikan untuk semua jenis aplikasi cryocomputing.”
“Menggunakan teknik PDF untuk mengeksplorasi struktur kristal 1T-TaS2 pada rentang suhu yang luas, kami melakukan beberapa pengamatan yang sangat mengejutkan,” kata Abeykoon. “Suhu material mengubah struktur elektronik.”
Saat suhu diturunkan, material memasuki keadaan CDW dimana tatanan jangka panjang material mulai terdistorsi dan berubah. Di bawah 50 K—suhu di mana penerapan pulsa cahaya cepat menghasilkan keadaan metastabil—materi tersebut menunjukkan distorsi struktural tak terduga yang memadukan lapisan tantalum di sekitarnya. Distorsi ini mungkin memegang kunci untuk mencapai kondisi tahan lama yang diciptakan oleh pulsa.
Sebaliknya, memanaskan material di atas 550 K akan menghilangkan CDW sepenuhnya, yang akan menghasilkan material yang tidak terdistorsi.
“Anehnya, distorsi jangka pendek serupa dengan yang terlihat pada suhu rendah tetap terjadi pada skala lokal pada suhu jauh di atas suhu negara bagian CDW,” jelas Abeykoon. “Hasil ini memberikan gambaran tentang apa yang mendorong terbentuknya CDW dalam sistem ini.”
Distorsi suhu tinggi ini berasal dari polaron, kuasipartikel yang diciptakan oleh elektron saat bergerak melalui struktur kisi suatu material dan berinteraksi dengannya secara lokal. Di atas 600 K, struktur berlapis sistem mulai berubah secara permanen. Ini mengkonversi dari tumpukan homogen dari satu jenis lapisan sandwich sulfur-tantalum-sulfur menjadi tumpukan heterogen di mana setiap lapisan sandwich lainnya mengubah jenisnya.
Saat perubahan terjadi, jumlah polaron turun sebesar 50%. Ini berarti bahwa polaron hanya menyukai satu jenis lapisan sandwich—yang terlihat pada 1T-TaS asli2.
“Ini memberikan bukti nyata keberadaan polaron jauh di atas suhu pemesanan CDW, yang belum pernah diamati sebelumnya,” kata Mihailovic.
Urutan muatan material ini—pola elektron yang tercipta berdasarkan kepadatannya di berbagai area material—digerakkan oleh mekanisme yang sangat berbeda dari yang diperkirakan secara tradisional. Pengurutan ini melibatkan kristalisasi polaron menjadi keadaan terurutnya sendiri. Hal ini mirip dengan sesuatu yang dikenal sebagai “Kristal Wigner”, yang menggambarkan elektron yang tersusun dalam keadaan kristal padat.
Memahami sifat elektronik kompleks dari bahan ini dan cara mengendalikannya membuka sejumlah aplikasi potensial dalam elektronik, penginderaan, dan komputasi, namun masih banyak yang harus dipelajari. Meskipun kondisi tersembunyi yang muncul saat memukul material dengan gelombang laser ultra cepat telah terlihat di masa lalu, kondisi tersebut belum pernah dipahami sepenuhnya.
Tim berencana untuk memecahkan kode struktur atom dan hubungannya dengan struktur kesetimbangan terurut. Sifat keadaan metastabil yang bergantung pada suhu masih belum sepenuhnya dipahami. Untuk sepenuhnya mewujudkan kemampuan peralihan optik dan listrik dari bahan ini untuk aplikasi teknologi tinggi pada suhu yang lebih hangat, para peneliti perlu menentukan lebih detail keadaan ini.
“Masih ada beberapa area yang belum dijelajahi dalam sistem ini,” kata Bozin, “termasuk struktur lokalnya. Penelitian kami menunjukkan bahwa sistem ini sebenarnya jauh lebih kompleks, dan pada awalnya memang sudah rumit. Ada rahasia tentang materi ini yang terus terungkap, dan akan terus berlanjut selama beberapa dekade.”