Meskipun otak manusia memiliki kemampuan pengolahan informasi yang luar biasa, namun ia tetap mengikuti aturan yang sama dengan jaringan hidup lain yang dikendalikannya: kebutuhan akan oksigen. Dengan sedikit ironi, Evgeny Tsymbal memberikan penjelasannya tentang keajaiban teknologi – dinding yang dapat bergerak dan tertutupi data dengan ketebalan atom yang mungkin suatu saat akan membantu komputer berperilaku lebih seperti otak. Yuk kita bahas bersama-sama.
Material nanometer yang Cocok Untuk Generasi Mendatang
“Ada bukti yang jelas bahwa kekosongan oksigen bertanggung jawab atas ini,” kata Tsymbal, George Holmes University Professor of Physics and Astronomy di University of Nebraska-Lincoln.
Bekerjasama dengan rekan-rekan di Tiongkok dan Singapura, Tsymbal dan beberapa alumni Universitas Nebraska-Lincoln telah membuktikan bagaimana cara membuat, mengontrol, dan menjelaskan dinding-dinding nanoskopik yang kekurangan oksigen dalam material yang tipis nanometer yang cocok untuk elektronik generasi mendatang. Tim ini memaparkan temuannya di jurnal Nature.
Berbeda dengan kebanyakan teknik menulis dan membaca data digital yang hanya mengenal bahasa biner satu dan nol, dinding-dinding ini dapat berbicara dalam beberapa dialek elektronik yang memungkinkan perangkat-perangkat yang memuatnya menyimpan bahkan lebih banyak data. Seperti sinapsis dalam otak, lewat dinding ini dapat terjadi lonjakan listrik yang tergantung pada sinyal-sinyal apa yang telah dilewatkan sebelumnya, memberikan adaptabilitas dan efisiensi energi yang lebih mirip dengan memori manusia. Dan sama seperti otak yang mempertahankan ingatan bahkan saat penggunanya tidur, dinding-dinding ini dapat mempertahankan keadaan data mereka bahkan jika perangkat mereka mati — menjadi pelopor elektronik yang menyala kembali dengan kecepatan dan kemudahan seperti lampu.
Tim peneliti menyelidiki dinding-dinding yang dapat merusak penghalang ini dalam suatu nanomaterial, yang dinamai bismut ferrite, yang dapat dipotong ribuan kali lebih tipis dari rambut manusia. Bismut ferrite juga memiliki kualitas langka yang dikenal sebagai feroelektrisitas: polarisasi atau pemisahan muatan listrik positif dan negatifnya dapat dibalik dengan hanya memberikan sedikit tegangan, menulis satu atau nol dalam prosesnya. Berbeda dengan DRAM konvensional, yaitu memori akses acak dinamis yang perlu diperbarui setiap beberapa milidetik, 1 atau 0 tersebut tetap ada bahkan ketika tegangan dihapus, memberikannya kemampuan memori jangka panjang yang tidak dimiliki oleh DRAM.
Penyimpanan Akan Menjadi Semakin Kecil
Biasanya, polarisasi tersebut dibaca sebagai satu atau nol, dan dibalik untuk menulis ulang sebagai nol atau satu, dalam wilayah material yang disebut domain. Dua domain dengan polarisasi yang berlawanan bertemu untuk membentuk dinding, yang hanya menempati sebagian kecil dari ruang yang diperuntukkan untuk domain itu sendiri. Ketebalan dinding yang hanya beberapa atom itu, dan sifat yang tidak biasa yang kadang-kadang muncul di atau di sekitarnya, telah menjadikannya sebagai tersangka utama dalam pencarian cara baru untuk memampatkan fungsionalitas dan penyimpanan yang semakin besar ke dalam perangkat yang semakin kecil.
Namun, dinding yang berjalan sejajar dengan permukaan bahan feroelektrik – dan menghasilkan muatan listrik yang dapat digunakan dalam pengolahan dan penyimpanan data – sulit ditemukan, apalagi diatur atau dibuat. Tetapi sekitar empat tahun yang lalu, Tsymbal mulai berbicara dengan Jingsheng Chen dari Universitas Nasional Singapura dan He Tian dari Universitas Zhejiang di China. Pada saat itu, Tian dan beberapa rekannya sedang memimpin teknik yang memungkinkan mereka untuk mengaplikasikan tegangan pada skala atom, bahkan saat mereka merekam perpindahan dan dinamika atom demi atom secara real-time.
Pada akhirnya, tim menemukan bahwa penerapan 1,5 volt pada film ferrite bismut menghasilkan dinding domain sejajar dengan permukaan material—dinding yang memiliki tahanan listrik spesifik yang nilainya bisa dibaca sebagai keadaan data. Ketika tegangan ditarik, dinding, beserta keadaan datanya, hasilnya tetap ada.
Ketika tim peneliti meningkatkan voltase, tembok domain mulai bermigrasi ke bawah material, sebuah perilaku yang terlihat pada feroelektrik lainnya. Sedangkan dinding pada bahan lain tersebut kemudian menyebar tegak lurus terhadap permukaan, dinding pada material ini tetap sejajar. Dan tidak seperti sebelmunya, dinding ini memiliki kecepatan yang sangat lambat, hanya bermigrasi satu lapisan atom pada satu waktu. Posisinya, pada gilirannya, berkorespondensi dengan perubahan dalam resistansi listriknya, yang turun dalam tiga langkah yang berbeda – tiga keadaan data yang lebih mudah terbaca – yang muncul antara penerapan 8 dan 10 volt.
Para peneliti telah menemukan beberapa hal penting seperti apa yang terjadi, di mana terjadinya, dan kapan terjadinya yang kritis untuk akhirnya menggunakan fenomena ini dalam perangkat elektronik. Namun, mereka masih kebingungan tentang satu hal lagi, yaitu mengapa hal ini terjadi. Tsymbal, sebagai salah satu orang yang memenuhi syarat untuk menjawab pertanyaan ini, mengatakan bahwa teori membantu dalam menjawab pertanyaan tersebut.
Pengukuran eksperimental dari tim nantinya akan menunjukkan bahwa distribusi muatan di dalam materi hampir persis sejajar dengan lokasi dinding domain, persis seperti yang diprediksi perhitungan. Jika kekosongan oksigen muncul di area feroelektrik lainnya, Tsymbal mengatakan, hal tersebut dapat membuktikan pentingnya memahami dan mengembangkan perangkat yang mencakup kelas material yang diinginkan.
Kesimpulan
Gimana gaes menarik bukan, walau pembahasannya agak berat karena memang pengembangan ini masih dalam tahap percobaan dan masih perlu diuji coba terus menerus, namun kita patut menunggu Next-gen device seperti apa yang nantinya akan dihasilkan atau dimaksud dalam penelitian kali ini.
Referensi
Phys, https://phys.org/news/2023-02-atom-thin-walls-size-memory-barriers.html Diakses pada 16 Februari, 2023.
ScienceDaily, https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230213201035.htm Diakses pada 16 Februari, 2023.
Zhongran Liu, Han Wang, Ming Li, Lingling Tao, Tula R. Paudel, Hongyang Yu, Yuxuan Wang, Siyuan Hong, Meng Zhang, Zhaohui Ren, Yanwu Xie, Evgeny Y. Tsymbal, Jingsheng Chen, Ze Zhang, He Tian. In-plane charged domain walls with memristive behaviour in a ferroelectric film. Nature, 2023; 613 (7945): 656 DOI: 10.1038/s41586-022-05503-5
