Siringmakar 20: “Plasmonics – Ketika Elektronika dan Fotonika Bersatu”

Pemateri: Nur Abdillah Siddiq

Moderator: Wayan Dadang

Pendahuluan

Menurut Hukum Moore, jumlah transistor dalam sebuah chip akan berlipat ganda setiap dua tahun. Penggandaan ini menghasilkan lebih banyak fitur, peningkatan kinerja, dan penurunan biaya untuk setiap transistor. Namun seiring dengan kian mengecilnya ukuran transistor, permasalahan fundamental seperti panas, laju transmisi data yang rendah, dan delay menjadi masalah yang terus berkembang.

Salah satu solusi jitu untuk masalah ini adalah menggunakan cahaya (foton) daripada elektron dalam komponen pemrosesan sinyal. Foton memiliki kapasitas pembawa informasi yang secara intrinsik lebih tinggi dan menghasilkan panas yang rendah. Namun, peralatan fotonika berukuran nano terhambat karena adanya batas difraksi cahaya yang tidak memperbolehkan ukuran yang lebih kecil dibandingkan panjang gelombang cahaya (misal panjang gelombang 1550 nm, berarti device fotonika tidak bisa kurang dari 1550 nm). Padahal transistor telah mencapai ukuran puluhan nanometer.

Plasmonics (plasmonik) hadir untuk mengkombinasikan sistem elektronika dan fotonika, sehingga device plasmonics dapat berukuran seperti device elektronika tapi dengan sifat seperti device fotonika.

Diskusi

Teman-teman bisa tahu fokus riset saya di laman scopus berikut, https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56458915500. Dalam kesempatan ini saya sebenarnya lebih ke arah sharing, dari pada memaparkan hal yang terlalu teknis dan mirip seperti ceramah/kuliah. Sharing tentang hal yang telah saya pelajari dan ketahui, dan saat ini saya sedang menulis paper review tentang Plasmonik. InshaAllah 26 Januari 2019 saya akan kembali ke UTM Malaysia untuk melanjutkan penelitian plasmonik.

Jadi, penting banget kita membaca atau menulis review tentang sesuatu yang ingin kita teliti, ini termasuk tips dalam meneliti, hehe.  Dalam sharing ini, mungkin rekan-rekan ada yang pengetahuannya sudah melebihi saya. Jadi nanti silahkan ditambahkan ya pernyataan saya pada sesi diskusi atau tanya-jawab.

Saya ingin menambahkan aplikasi dari plasmonik. Aplikasi dari plasmonik tidak hanya sebagai the next computer system, tapi juga sebagai metode penyembuhan kanker yang sangat efektif, spektroskopi untuk mendeteksi zat kimia atau virus, dan yang paling “amazing” adalah sebagai selubung tak terlihat!, mirip seperti jubah tak terlihatnya Harry Potter.

Sebelum masuk ke plasmonik, saya ingin membahas terlebih dahulu definisi elektronika dan fotonika. Karena sesuai judul, plasmonik adalah perpaduan antara elektronika dan fotonika.

Definisi tentang apa itu elektronika dan fotonika cukup banyak dan luas, ya. Tapi saya memiliki definisi sendiri, keduanya adalah disiplin ilmu yang mempelajari cara membangkitkan, menyalurkan, mendeteksi, dan merekayasa. Jadi, kalau elektronika adalah ilmu yang mempelajari cara membangkitkan, menyalurkan, mendeteksi, dan merekayasa elektron, sedangkan fotonika adalah ilmu yang mempelajari cara membangkitkan, menyalurkan, mendeteksi, dan merekayasa foton. Adapun rekayasa yang dimaksud disini adalah modulasi, amplifikasi, dll. Jadi kalau plasmonics atau plasmonika?, Yaps, tepat, adalah ilmu yang mempelajari cara membangkitkan, menyalurkan, mendeteksi, dan merekayasa plasmon.

Kalau elektron dan foton kita semuanya telah tahu, elektron adalah partikel elementer dengan muatan negatif, dan foton adalah partikel elementer penyusun cahaya. Nah, kalau plasmon?, Plasmon adalah singkatan dari plasma oscillation.

Secara sederhananya, plasmon adalah osilasi/pergerakan periodik yang cepat dari kerapatan elektron pada media konduktor. Ribet ya definisinya?. Susah ya definisi plasmon?, Gini aja deh, bayangkan permukaan air yang tenang, kemudian kita jatuhkan batu diatasnya, akan ada riak air, kan?.

Dapat dilihat dari gambar, ada gelombang air yang naik dan turun, kan?. Nah, kira-kira seperti itulah plasmon. Gelombang air yang naik bisa diibaratkan kerapatan elektron yang tinggi, dan gelombang air yang turun bisa diibaratkan kerapatan elektron yang rendah. Dan keduanya bergerak secara periodik/ berosilasi. Kira-kira kalau plasmonik divisualisasikan itu seperti ini:

Nah, dari gambar tersebut sebenarnya sudah jelas mengapa plasmonik disebut perpaduan elektronika dan fotonika. Fotonika berperan sebagai sumber untuk memunculkan kerapatan elektron.

Jadi, kalau tidak ada cahaya, elektron atau awan elektron akan bergerak bebas dan acak, namun ketika cahaya dengan frekuensi yang sesuai mengenai suatu permukaan plasmonik, elektron menjadi berkumpul (kerapatan tinggi) dan memisah (kerapatan rendah). Ingat, frekuensi harus sesuai ya, namanya resonansi atau bahasa fisikanya adalah surface plasmon resonance.

Nah, karena periodik, kerapatan elektron ini juga punya panjang gelombang lho. Panjang gelombangnya adalah jarak dari 2 kerapatan elektron yang tinggi atau jarak dari 2 kerapatan elektron yang rendah. Kalau punya panjang gelombang?, maka nanti punya fungsi gelombang, vektor gelombang, nilai eigen, dan lain-lainnya.

Nah, permukaan plasmonik pada umumnya logam seperti emas (Au) dan perak (Ag), namun ilmuwan masih terus mengembangkan material lainnya selain logam, yakni komposit, seperti tabel berikut:

Mungkin teman-teman akan bertanya, bagaimana jika kita menyinari emas dengan cahaya laser?, katakanlah laser Helium dengan panjang 632.8 nm, apakah akan ada kilatan cahaya di permukaan emasnya atau bagaimana?,

Jawaban pertama: yang merambat bukanlah cahaya, melainkan kerapatan elektron, jadi dibutuhkan instrumen khusus untuk mendeteksi plasmon yang disalurkan, yakni dengan alat bernama Charged Coupled Device (CCD). Nah, CCD ini sudah sangat umum dipakai pada pencitraan gambar, karena sensor gambar pun pada hakikatnya tidak secara langsung men-sensing foton, tapi foton diubah ke elektron pada sensor tersebut, dan sensor gambar mulai membaca gambar dari informasi elektron. Jadi, plasmon tidak dapat diamati dengan mata telanjang, yaaa.

Lihat pada foto CCD, plasmon hanya terlihat di bagian input (2 titik) dan output (1 titik).

Jawaban kedua: jarak perambatan plasmon pada medium sangatlah pendek, maksimal dapat mencapai 50 um (mikrometer). Bayangkan, 50 mikro!. Satu milimeter itu adalah 1000 mikrometer, jadi 50 mikro = 1 milimeter dibagi menjadi 20 bagian, iya millimeter satuan paling kecil di penggaris!.

Sebagai perbandingan, cahaya dapat dirambatkan pada fiber optic hingga jarak 2 km (pada bandwidth 100 Mbps) tanpa amplifier/ penguat, tepat 40 juta kali lebih panjang dibandingkan perambatan plasmonik. Jadi, karena jarak yang sangat pendek itulah, kita membutuhkan peralatan canggih seperti SEM/mikroskop untuk mengamati perambatan plasmon.

Jadi, itulah kira-kira landasan teoretis dari plasmonik yang perlu diketahui oleh masyarakat umum. Selebihnya lebih ke pemodelan matematis. Persamaan Maxwell, dan elektrodinamika (akan teman-teman pelajari kalau mengambil S2 Fisika atau sejenisnya).

Aplikasi pertama adalah the next step computer system, kenapa? Karena akan ada suatu waktu yakni sekitar tahun 2020 (2 tahun lagi), ketika transistor sudah berada dalam ukuran terkecilnya dan tidak bisa lebih kecil lagi, yakni berukuran 5 nm dan bisa memproses 1 elektron saja.

Ukuran transistor yang tidak bisa diperkecil itu, artinya kemampuan untuk memproses data sudah tidak dapat ditingkatkan lagi!. Beberapa artikel ilmiah menyebutkan bahwa batas kecepatannya adalah 5 GHz. Padahal, komputer di masa depan, terutama super komputer, butuh pemrosesan data dengan sangat cepat misalnya dalam orde terahertz.

Lantas bagaimana solusinya?,

Cahaya adalah solusinya. Cahaya secara fundamental adalah sesuatu yang tercepat yang ada di alam semesta dan bisa mencapai ke orde 1.5 THz atau 300 kali lebih cepat! Keren, kan?.

Kecuali kalau Tachyon nanti bisa terbukti benar, ada teknologi lagi Beyond Plasmon, dan runtuhlah semua fisika modern kalau Tachyon bisa terbukti keberadaannya.

Namun ada kendala utama. Ukuran device berbasis cahaya relatif lebih besar dibandingkan device berbasis elektron, hal ini disebabkan oleh adanya batas difraksi.

Mari kita ingat definisi difraksi ketika SMA, difraksi adalah pembelokan cahaya ketika melewati celah sempit. Sederhananya, batas difraksi memberitahukan bahwa cahaya tidak dapat dibelokkan pada media yang lebih kecil dari panjang gelombangnya. Hal ini dapat diibaratkan dengan mobil dan lintasan, apakah mobil dengan lebar 2 meter dapat berjalan pada jalan dengan lebar 1 meter?, Jawabannya tidak!, Seperti itulah cahaya.

Padahal, panjang gelombang yang biasanya dipakai dalam sistem optik adalah 1550 nm. Itu ukuran yang sangat besar jika dibandingkan ukuran transistor saat ini yang sudah mencapai 14 nm.

Seperti ini contohnya, jika prosesor Tegra Xavier SoC berukuran 2×1.75 cm, maka untuk prosesor optik akan berukuran 115 x 100.6 cm!. Efektif nggak tuh, prosesor optik berukuran 1 meter persegi? 😀

Nah, kembali ke plasmonik. Pada plasmonik, ternyata, elektron tidak mengenal batas difraksi seperti foton. Sehingga panjang gelombang cahaya yang besar, dapat diperkecil dengan sangat signifikan menjadi panjang gelombang osilasi kerapatan elektron. Namun kecepatannya tetap sama, kecepatan cahaya, tapi ukurannya bisa jauh lebih kecil!

Peneliti masih berlomba-lomba saat ini untuk membuat gerbang logika berbasis plasmonik, termasuk saya, karena gerbang logika adalah penyusun terkecil dari sebuah transistor.

Berikut adalah paper review yang sedang saya kerjakan, semoga bisa segera rampung, ya 🙂

Oke, sekarang masuk ke aplikasi kedua, aplikasi kedua adalah pada pengobatan kanker. Nah ini aplikasi paling “seksi” dari plasmonik, karena menyangkut nyawa!.

Foto tersebut adalah salah satu pengobatan kanker melalui plasmonik, kanker payudara. Saya sensor ya, hehe, karena masih ada yang anak SMA juga.

Jadi, sistem plasmonik nya adalah logam berbentuk bola dan berukuran nano. seperti di bagian kanan bawah gambar. Logamnya adalah logam emas, yang didalamnya ada silika atau SiO2, sebenarnya bisa udara, tapi lebih mudah membuat bola emas berisi silika daripada bola emas berisi udara. Kalau dalam dunia medis, metode ini disebut dengan Plasmonic Photo-Thermal Therapy (PPTT). Nah, bola-bola nano kemudian dijadikan sebuah kapsul, tentunya kapsulnya akan berisi jutaan bola nano. Jadi, seperti obat kapsul, atau bisa juga disuntikkan.

Nah, ketika kapsulnya nanti masuk ke dalam tubuh, ia akan melepaskan jutaan bola nano tersebut ke aliran darah, nah, bola nano tersebut kemudian akan banyak “tersangkut” ke sel kanker, karena sel kanker butuh banyak asupan darah untuk bisa membesar dengan cepat.

Karena banyak yang tersangkut ke sel kanker, cahaya dapat dikenakan ke bagian kanker tersebut. Nah, cahaya kan sebenarnya menembus kulit, maka cahaya akan langsung mengenai permukaan bola nano tadi. Ketika bola nano tersebut terkena cahaya, muncul lah plasmon, dan ketika energi cahaya nya besar, plasmon akan melepaskan panas yang dapat membunuh sel kanker tadi.

Kira-kira mekanismenya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

Jadi, sangat efektif dan efisien, kan?. Tanpa pembedahan, cukup minum kapsul/ suntik, kemudian disinari cahaya. Dan jaringan yang tidak terkena kanker tidak akan terkena dampaknya. Seperti sulap ya, hehe, makanya para dokter juga sedang berlomba-lomba mengembangkan teknologi plasmonics.

Aplikasi selanjutnya adalah yang paling science fiction, tapi secara teori adalah mungkin, yakni sebagai selubung tak terlihat!. Teman-teman sudah pernah baca buku sains fiksi berjudul ” The Invisible Man” karya H. G. Wells tahun 1897?, bahkan ada filmnya juga di tahun 2017, berikut bisa disimak trailer “The Invisible Man” untuk memberi gambaran mengenai bagaimana teknologi plasmonik diaplikasikan sebagai selubung tak terlihat.

Inti dari cerita tersebut adalah, seorang ilmuwan muda yang menemukan metode untuk membuat indeks bias tubuhnya sama seperti indeks bias udara, yakni n=1, sehingga bisa tidak terlihat. Indeks biasa adalah perbandingan kecepatan cahaya di ruang vakum terhadap kecepatan cahaya di material tersebut. Nah, kaitannya dengan plasmonik, jika ilmuwan bisa membangkitkan plasmon yang frekuensi resonansinya persis sama seperti frekuensi resonansi benda tersebut, maka indeks bias benda tersebut akan sama seperti udara. yang artinya, benda tersebut tidak akan terlihat.

Sesi Tanya-Jawab (Q&A)

1. Indra_UNPAR: Q. 1  Gerbang logika itu seperti apa yah, Kak?. Saya penasaran ingin tahu lebih lanjut. | A. Oke, wah sebenarnya pertanyaannya itu banyak sekali ya jawabannya di Google. Oleh dosen pembimbing saya, saya selalu diberi pesan, “Jangan bertanya pada saya pertanyaan yang jawabannya ada di Google”, tapi gapapa-lah, kedepannya biasakan sebelum bertanya cek Google dulu ya, misalkan sudah cek google, dari Wikipedia “Gerbang logika atau gerbang logik adalah suatu entitas dalam elektronika dan matematika Boolean yang mengubah satu atau beberapa masukan logik menjadi sebuah sinyal keluaran logik.” Lalu, teman-teman bisa tanya, saya menemukan definisi dari wikipedia …bla bla bla, bahasa sederhana nya bagaimana ya, kak?. Jadi, bahasa sederhana dari gerbang logika adalah sesuatu/ alat untuk mengambil keputusan. Mengambil keputusan dari beberapa masukan, misalkan ada masukan apel dan jeruk, terus disuruh memutuskan, apakah keduanya buah?. Nah, itu bisa pakai gerbang logika, jawabannya tentu saja buah, yang jika dalam bahasa gerbang logika, maka fungsinya adalah DAN atau AND. Ada 7 fungsi gerbang logika, AND, OR, NOT, NOR, XOR, XNOR, NAND. Umumnya 1 fungsi itu butuh lebih dari 1 transistor, misal fungsi AND dan OR butuh 3 transistor, NAND dan NOR butuh 2 transitor. || Q.2 Apa itu Tachyon dan mengapa jika Tachyon terbukti benar bisa meruntuhkan fisika modern, apakah dengan terbukti benarnya Tachyon memberi dampak pada perkembangan teknologi juga?, jika iya, seperti apa dampaknya? | A.2 Tachyon adalah partikel hipotesis yang diramalkan melebih kecepatan cahaya. Nah, jika partikel tersebut ada, berarti teori relativitas umum, fisika modern, dll yang bersandar pada kecepatan cahaya sebagai kecepatan tertinggi di alam semesta maka akan runtuh, sederhanya seperti itu. Tachyon adalah partikel hipotesis yang diramalkan melebihi kecepatan cahaya. Diskusi lebih lanjutnya bisa cek link berikut.
   
   
2. Febri_SMAN 2 Pangkalan Bun: Q. Adakah kemungkinan sel tubuh bermutasi melalui terapi plasmonic? | A. Saya tidak mendalami aplikasi plasmonik pada kanker, mungkin ada teman-teman yang ingin mendalaminya?. Saya mendalami plasmonik sebagai the next computer system. Jadi, saya tidak tahu apakah ada efek mutasinya, tapi kalau saya baca mengenai risetnya masih berlanjut sampai sekarang, dan masih diuji -cobakan ke berbagai hewan seperti tikus, kelinci, dll. Ada penelitian aplikasi plasmonik untuk menangani sel kanker yang dilakukan pada hewan uji tikus, namun belum diteliti efek mutasinya. Pada penelitian lainnya juga digunakan hewan uji tikus untuk mengamati perubahan dan efek paparan plasmonik pada sel kanker.
   
   
3. Farida Muliantika_STTN: Q.1 Mungkin pertanyaannya sedikit menyimpang dari judul, namun tadi sempat dibahas, ini murni karena tidak tahu, hehe, sebenarnya lebih bagus transistor yang kecil atau yang standar?, karena jika diperkecil terus menerus, adakah batasnya?. | A. Yang jelas, semakin kecil maka semakin praktis, semakin sedikit energi listrik yang dibutuhkan, dan semakin singkat waktu pengiriman informasinya (artinya bisa lebih cepat) || Q.2 Kelebihan dan kekurangan terapi kanker menggunakan metode radiasi nuklir dengan plasmonik?, mana yang lebih efektif?. A.2 Setahu saya kalau nuklir harus memasukkan zat radioaktif ke dalam tubuh, sedangkan pada plasmonik ini bukan zat radioaktif. Tambahan jawaban dari moderator:
   Plasmonic kita sudah tahu dasarnya dari foton tadi, foton sudah biasa menerpa tubuh kita seperti cahaya tampak, gitu. Saya rasa kalau dalam skala dosis kedokteran sih tidak tinggi hingga dapat membakar jaringan lain, sedangkan nuklir itu menggunakan sifat radiasi dari peluruhan radioaktif, dan membutuhkan sumber daya perlindungan tinggi agar dosis bisa aman. Radiasi nuklir tidak dapat dilakukan berulang kali, karena ketika dosis sudah hampir mendekati yang diizinkan maka tidak bisa lagi dilakukan. Radiasi nuklir ada batas ambangnya, yaitu misalnya 100 mili sievert, jika pada sekali paparan terapi adalah 10 mili sievert, maka terapi tidak boleh dilakukan lebih dari 10 kali, tapi ya seperti yang kak nur sampaikan masih tahap penelitian, hehe.
   
   
4. Dasep_MIT: Q. Apakah riset dalam bidang tersebut memungkinkan terus dikembangkan dalam 5 tahun kedepan di Indonesia?. Mengingat mahalnya teknologi yang digunakan dan tidak semua kampus punya teknologi tsb. A. Kalau untuk aplikasi di bidang kesehatan sangat memungkinkan, mungkin fabrikasi nanoshell-nya bisa di Singapura, Malaysia, atau China. Namun, kalau untuk the next computing system, belum memungkinkan, kecuali ada menteri/ presiden yang berani membuat fasilitas fotolitografi yang memakan biaya puluhan milyar rupiah, makanya saya harus bolak balik Indonesia – Malaysia, hehe.
   
   
5. Moh. Ainul Yaqin_S2FisMedITS : Q.1 Plasmon bisa merambat dengan kecepatan cahaya?, berarti kecepatan osilasi kerapatan elektronnya mendekati kecepatan cahaya?. Dan sumber cahaya pada device plasmonik berupa apa, apakah LED, dan berapa ukuran LED-nya?. Kalau perambatan plasmon hanya 50 um, nanti bagaimana cara perambatannya di device plasmonik, ukuran device plasmoniknya berapa?. Intinya bagaimana detail cara kerja plasmonik di device plasmonik (dari sumber cahaya, foton, elektron, dan plasmonik sendiri, dalam transistor mendatang)? . A.1 Ukurannya bisa bervariasi, dari beberapa nm hingga beberapa mikrometer, detail kerjanya udah dibahas dengan bahasa yang sederhana dalam paper yang bisa dibaca disini. || Q.2 Plasmonik untuk penyembuhan kanker tersebut hanya bisa di permukaan kulit/ kanker kulit saja?. Setelah sembuh bagaimana dengan plasmonik yang masih ada di tubuh pasien?, apakah dibiarkan saja, apakah tidak berbahaya ada logam di tubuhnya? Atau dikeluarkan dari tubuh pasien, dengan cara apa?. A.2 Karena saya tidak mendalami, silahkan jawabannya bisa dicari di banyak sekali paper-paper tentang plasmonics. Contoh paper di bidang kesehatan bisa cek link yang tersedia pada jawaban untuk pertanyaan nomor 2 oleh Febri sebelumnya, selain itu jika kita googling di Google Scholar mengenai Plasmonics Cancer Therapy akan didapati ada ribuan paper yang membahas semua hal tersebut.
   
   
6. Hemas-UNEJ: Q. Bola nano emas yang dimasukkan ke dalam tubuh (oral/ inject) apakah sudah diteliti batas safety-nya guna menghindari overdosis?. A. Sampai saat ini masih terus diteliti dan terus diuji, sudah di uji-coba ke hewan uji, lebih lengkapnya silahkan baca dua paper yang sudah saya share tadi ya tentang terapi kanker melalui plasmon.

Penutup

Topik plasmonik ini adalah topik yang masih relatif sangat baru, istilah plasmonik sendiri baru dicetuskan pada tahun 2000 oleh tim peneliti Caltech. Tapi aplikasinya luar biasa. Dan saya tidak ingin Indonesia lagi-lagi menjadi penonton, akhirnya menjadi KONSUMEN!, maka dari itu, saya mendorong teman-teman juga bergabung dalam penelitian ini, meneliti plasmonik. Banyak sekali aplikasinya, baru 3 (tiga) aplikasi yang saya sebutkan, padahal ada lagi yang lebih keren seperti deteksi cepat berbagai virus dan zat kimia dengan plasmonik, sensor yang ULTRA-sensitif, dll. Pokoknya keren lah!.