Bayangkan seberkas cahaya yang tidak hanya menerangi, tetapi juga menggetarkan. Bukan secara metaforis sungguh-sungguh bergetar, menghasilkan gelombang suara di dalam bahan padat. Fenomena inilah yang disebut efek fotoakustik, dan penelitian baru dari Tarek El Nassar dan rekan-rekannya menunjukkan betapa pentingnya peran “getaran cahaya” ini dalam dunia semikonduktor berskala nano.
Cahaya, panas, dan suara merupakan tiga elemen yang biasanya kita pikirkan terpisah ternyata saling menari di dalam bahan mikro yang sangat kecil. Ketika cahaya diserap oleh material semikonduktor, energi cahaya diubah menjadi tekanan akustik semacam “dentuman lembut” di tingkat atom.
Tekanan ini memunculkan gelombang elastis (suara), yang pada gilirannya memengaruhi bagaimana panas menyebar di dalam material.
Semikonduktor yang bisa mengatur panas, cahaya, dan suara secara bersamaan. Bayangkan prosesor komputer yang tetap dingin walau bekerja keras, atau sensor optik yang bisa mendeteksi perubahan suhu sekecil partikel debu.
Baca juga artikel tentang: Menjelajahi Potensi Nanotube Karbon: Pendekatan Inovatif untuk Pengembangan Semikonduktor Elektronik Masa Depan
Apa Itu Efek Fotoakustik?
Fenomena fotoakustik ditemukan sejak abad ke-19 oleh Alexander Graham Bell (penemu telepon). Ia menemukan bahwa sinar cahaya yang “dipotong-potong” (atau dimodulasi) bisa membuat udara bergetar dan menghasilkan suara.
Dalam konteks modern, efek ini digunakan dalam berbagai teknologi, mulai dari imaging medis (seperti mendeteksi tumor dengan cahaya) hingga analisis material. Tapi kini, para peneliti mengamati efek ini di tingkat nanometer, terutama dalam bahan semikonduktor, bahan yang menjadi jantung komputer, ponsel, hingga panel surya.
Masalah Panas di Dunia Nano
Saat perangkat elektronik semakin kecil, muncul satu masalah klasik: panas. Di dunia nano, panas tidak menyebar seperti di dunia makro. Jika di rumah panas bisa berpindah lewat udara atau logam dengan mudah, di skala nanometer, panas bisa “terjebak” atau justru “menyebar” dengan pola yang tak terduga.
Dalam penelitian ini, El Nassar dan timnya mempelajari bagaimana konduktivitas termal (kemampuan material menghantarkan panas) berubah di skala nano, dan bagaimana cahaya dapat memicu getaran yang mengubah distribusi suhu. Mereka menyebut pendekatan ini sebagai nonlocal thermal effect karena panas tak lagi hanya bergantung pada satu titik, melainkan pada keseluruhan struktur nano di sekitarnya.
Menggabungkan Cahaya, Suara, dan Panas
Para peneliti menggunakan pendekatan matematika dan simulasi numerik untuk memodelkan apa yang terjadi ketika cahaya mengenai bahan semikonduktor mikro.
Mereka menemukan bahwa:
- Gelombang cahaya menciptakan tekanan fotoakustik, seperti dentuman mini.
- Tekanan ini menghasilkan gelombang plasma dan panas lokal, yang menyebar seperti riak di permukaan air.
- Konduktivitas panas yang berubah-ubah (tergantung suhu dan ukuran partikel) membuat pola panas menjadi tidak seragam, kadang terperangkap di titik tertentu, kadang menyebar cepat.
- Efek ini memengaruhi bagaimana elektron dan lubang (pembawa muatan) berpindah di dalam bahan.
Dengan kata lain, di dunia nano, cahaya bisa mengubah suhu, dan suhu bisa mengubah aliran listrik. Sebuah tarian energi yang rumit, namun menakjubkan.
Mengapa Ini Penting untuk Teknologi Semikonduktor?
Kamu mungkin bertanya-tanya, apa gunanya semua ini bagi kehidupan nyata? Jawabannya: manajemen panas dan efisiensi energi.
Dalam perangkat seperti sensor cahaya, prosesor mikro, laser, dan fotodetektor, panas adalah faktor penentu umur dan kinerja. Jika panas tidak disalurkan dengan baik, perangkat bisa melambat atau rusak.
Riset ini membantu para ilmuwan memahami bagaimana panas “bergerak” di dalam material semikonduktor dengan kompleksitas tinggi. Dengan memahami pola gelombang fotoakustik dan bagaimana ia memengaruhi suhu lokal, insinyur bisa merancang bahan yang lebih efisien, misalnya:
- Chip komputer yang tidak mudah panas, karena aliran panasnya dikontrol oleh desain nano.
- Sensor optik presisi tinggi, yang bisa membedakan perubahan suhu sekecil 0,0001°C.
- Perangkat fotonik hemat energi, seperti laser mini untuk komunikasi optik atau lidar kendaraan otonom.
Simulasi Dunia Nano: Dari Rumus ke Kenyataan
Untuk memahami semua proses itu, para peneliti tidak bisa sekadar melihat dengan mikroskop. Mereka menggunakan model matematika satu dimensi (1D) dan simulasi komputer. Dengan mengubah parameter seperti frekuensi gelombang cahaya dan tingkat konduktivitas termal, mereka bisa “melihat” bagaimana panas dan suara merambat di dalam bahan.
Hasilnya menunjukkan bahwa konduktivitas termal yang berubah-ubah membuat sistem menjadi lebih dinamis dan kompleks, tapi juga lebih dapat dikendalikan jika dirancang dengan tepat. Bahkan, mereka menemukan cara untuk mengurung panas di area tertentu agar efisiensi energi meningkat, mirip seperti bagaimana oven microwave memusatkan panas pada makanan.
Aplikasi Masa Depan: Dari Sensor Hingga Energi Surya
Riset ini tidak berhenti pada teori. Para peneliti melihat potensi besar dalam mengaplikasikan hasil ini pada:
- Manajemen panas di chip semikonduktor menjaga kinerja tetap optimal meskipun ukuran komponen terus menyusut.
- Sel surya cerdas (smart photovoltaics) di mana cahaya bukan hanya menghasilkan listrik, tapi juga bisa digunakan untuk mengatur suhu modul.
- Sensor fotoakustik super-sensitif untuk bidang medis, deteksi gas, atau bahkan pemantauan lingkungan pada level molekuler.
- Perangkat optoelektronik masa depan yang menggabungkan fungsi cahaya, panas, dan listrik dalam satu sistem nanostruktur yang efisien.
Dunia Mikro, Dampak Makro
Penelitian seperti ini menunjukkan betapa pentingnya memahami dunia pada skala yang tak terlihat. Di masa depan, batas antara cahaya, panas, dan listrik akan semakin kabur, semuanya bisa saling memengaruhi dalam sistem yang cerdas dan efisien.
Bayangkan ponsel yang tak pernah panas, komputer kuantum yang tetap stabil pada suhu ekstrem, atau sensor medis yang bisa “mendengar” tubuh manusia lewat getaran cahaya.
Semua itu dimulai dari pemahaman sederhana namun mendalam: bahwa cahaya bisa menghasilkan suara, dan suara bisa mengatur panas.
Jika kamu berpikir semikonduktor hanyalah potongan logam diam di dalam perangkat elektronikmu, pikirkan lagi. Didalamnya, cahaya, panas, dan suara sedang berinteraksi dalam simfoni yang rumit, menciptakan keseimbangan antara energi dan efisiensi.
Penelitian ini bukan hanya menjelaskan fenomena fisika yang indah, tapi juga membuka peluang besar untuk masa depan teknologi: perangkat yang bisa berpikir dan menyesuaikan diri dengan lingkungannya melalui dinamika energi. Dengan kata lain, dunia nano sedang belajar bernyanyi.
Baca juga artikel tentang: Menjelajahi Potensi Nanotube Karbon: Pendekatan Inovatif untuk Pengembangan Semikonduktor Elektronik Masa Depan
REFERENSI:
EI Nassar, Tarek dkk. 2025. Photoacoustic dynamics in microtemperature semiconductor media with variable thermal conductivity and nonlocal effects. The European Physical Journal B 98 (2), 1-16.
