BAGIKAN
(Figure: Kempkes et al., Nature Physics, 2018)

Dalam fisika, diketahui bahwa elektron memiliki perilaku sangat berbeda dalam tiga dimensi (kubus), dua dimensi (lembaran) atau satu dimensi (garis) . Perilaku ini menimbulkan kemungkinan yang berbeda pula untuk aplikasi teknologi dan sistem elektroniknya.

Tetapi apa yang terjadi jika elektron berada pada dimensi 1,58 – dan apa sebenarnya artinya? Fisikawan teoritis dan eksperimental di Utrecht University menyelidiki pertanyaan-pertanyaan ini dalam sebuah studi baru yang akan dipublikasikan di jurnal Nature Physics.

Mungkin sulit untuk membayangkan seperti apa 1,58 dimensi itu. Tetapi gagasan tersebut sebenarnya lebih familiar daripada yang diperkirakan karena dapat ditemukan di sekitar kehidupan kita sehari-hari. Dimensi non-integer, seperti 1,58, dapat ditemukan dalam sebah struktur fraktal seperti paru-paru.

Fraktal adalah sebuah figur matematis yang dapat menurunkan skala tanpa batas, secara rekursif berulang dengan sendirinya. Sebuah struktur dengan bentuk yang serupa dalam berbagai ukuran. Jika Anda memperbesar sebuah struktur fraktal, maka Anda akan melihat struktur yang serupa dari ukurannya yang lebih besar, seolah terjadi pengulangan yang terus menerus dari sebuah struktur dasar. Sebagai contoh, sepotong kecil brokoli Romanesco biasanya terlihat mirip dengan keseluruhan kepala brokoli utuh.

Bentuk fraktal brokoli Romanesco. [Wikimedia]
Jika sebuah garis memiliki satu dimensi dan persegi panjang memiliki dua, garis berlekuk-lekuk di dalam sebuah kubus yang tidak terisi dapat memiliki dimensi di antara keduanya yang terkait dengan kompleksitasnya.

Segitiga Sierpinski. (Wikimedia Commons)

Dalam elektronik, fraktal digunakan sebagai antena karena sifat mereka yang dapat menerima dan mengirimkan sinyal dalam rentang frekuensi yang besar.

Topik yang masih relatif baru mengenai fraktal adalah perilaku kuantum yang muncul jika Anda memperbesar sebisa mungkin hingga mencapai skala elektron.

Dengan menggunakan simulator kuantum, fisikawan Utrecht, Sander Kempkes dan Marlou Slot mampu membangun semacam fraktal dari elektron. Para peneliti membuat ‘muffin timah’ di mana elektron akan membatasi menjadi sebuah bentuk fraktal, dengan menempatkan molekul karbon monoksida dalam bentuk yang tepat pada latar belakang tembaga menggunakan mikroskop scanning tunneling. Bentuk fraktal segitiga yang dihasilkan di mana elektron terkurung disebut segitiga Sierpiński, yang memiliki dimensi fraktal 1,58. Para peneliti mengamati bahwa elektron dalam segitiga sebenarnya berperilaku seolah-olah mereka berada di dimensi 1,58.

Elektron dalam ikatan (kiri) dan non-ikatan (kanan) segitiga Sierpiński ; skala bar : 2nm. [Credit:Kempkes et al., Nature Physics, 2018]
Sebuah fraktal yang disebut segitiga Sierpinski (kanan) telah dibentuk di alam kuantum (kiri), ditunjukkan dalam gambar yang menunjukkan kerapatan elektron pada permukaan tembaga. Hasil dari penelitian menunjukkan dua jenis segitiga: yang pertama adalah ‘ikatan’, yaitu setiap segitiganya saling menyentuh (kiri gambar) dan yang kedua adalah ‘non-ikatan’ (gambar kanan) di mana setiap segitiganya dipisahkan dalam energi, menghasilkan peluang menarik untuk mentransmisikan arus melalui struktur fraktal ini.

Dalam kasus ikatan, elektron terhubung dan dapat dengan mudah berpindah dari satu tempat ke tempat lain (transmisi tinggi), sedangkan dalam kasus yang tidak terikat mereka tidak terhubung dan perlu “melompat” ke tempat lain (transmisi rendah). Juga, dengan menghitung dimensi fungsi gelombang elektronik, para peneliti mengamati bahwa elektron itu sendiri terbatas pada dimensi ini dan fungsi gelombang mewarisi dimensi fraksi ini.

“Dari sudut pandang teoritis, ini adalah hasil yang sangat menarik dan inovatif,” kata fisikawan teoritik Cristiane de Morais Smith.

“Ini membuka jalur penelitian baru, menimbulkan pertanyaan seperti: apa sebenarnya arti bagi elektron untuk dibatasi dalam dimensi non-integer? Apakah mereka lebih berperilaku seperti pada satu dimensi atau dua dimensi?

“Dan apa yang terjadi jika medan magnet diaktifkan tegak lurus terhadap sampel? Fraktal sudah memiliki jumlah aplikasi yang sangat besar, sehingga hasil ini mungkin memiliki dampak besar pada penelitian pada skala kuantum. Satu hal yang pasti: masa depan elektronika terlihat fraktal!”

VIAAum
SUMBERUtrecht University
BAGIKAN