Nanoteknologi, Teknologi Berbasis Teori Kuantum

Oleh : Terry Mart


Belum dipublikasi di media cetak


Akhir-akhir ini banyak perhatian difokuskan pada penelitian nano-teknologi (NT), ilmu rekayasa material berukuran nanometer (sepermilyar meter). Mengapa NT begitu mempesona? Tulisan Ratno Nuryadi (Kompas, 12 Mei 2004) yang membahas fenomena unik single electron transistor (SET) menjawab sebagian pertanyaan tersebut. Tentu saja masih banyak bidang lain yang masuk ke dalam skala ini, misalnya kedokteran, kimia, biologi, fotonik, informasi, dan lain sebagainya. Seiring dengan populernya NT, mencuat pula harapan yang dikemas dalam bidang ini. Misalnya, kelak dengan bantuan teknolgi ini diciptakan nanorobot yang dapat disuntikkan ke dalam tubuh manusia untuk memperbaiki sel-sel kanker, atau pakaian yang memiliki kipas listrik berukuran nano yang membuat kita tetap sejuk dikala panas serta kering dikala hujan.

Sebagian peneliti memprediksi bahwa NT akan benar-benar mengubah masa depan ummat manusia, sebagian lain mengatakan sulit untuk menduga kemana peradaban ini akan dibawa oleh NT. Robert Austin, seorang profesor fisika di Universitas Princeton malah mengatakan bahwa kebanyakan cerita tentang masa depan NT merupakan khayalan yang tidak akan pernah terjadi. Contoh yang paling terkenal adalah novel berjudul Prey karya Michael Crichton, yang bercerita tentang lepasnya nanorobot yang dapat berkembang biak dan akhirnya menjadi predator.

Fenomena Kuantum

Teori kuantum yang awalnya adalah mekanika kuantum merupakan teori gelombang dari partikel (materi). Pertama kali dinyatakan dalam bentuk persamaan gelombang oleh seorang fisikawan Austria, Erwin Schroedinger, persamaan yang kemudian dikenal sebagai persamaan Schroedinger ini didasarkan pada teori Louis de Broglie yang menyatakan bahwa partikel memiliki sifat gelombang. Dengan menggunakan persamaan ini fenomena sifat diskrit energi atom Hidrogen muncul secara natural, yang selanjutnya juga teramati pada molekul, atau partikel terikat dalam suatu potensial. Fenomena ini merupakan salah satu fenomena yang tidak teramati di alam makro, tempat fisika klasik terbukti dominan.

Fenomena lain yang setara adalah sifat superposisi keadaan-keadaan kuantum, misalnya keadaan spin sebuah elektron dalam atom. Sebagai fermion, elektron dapat memiliki spin yang arahnya paralel atau anti-paralel terhadap medan magnet. Dalam bahasa fisika, elektron tersebut dikatakan memiliki spin up atau down. Anehnya, meskipun pengukuran spin pada sebuah elektron menghasilkan salah satu keadaan saja (up atau down) sebuah elektron dapat memiliki superposisi dari dua keadaan tersebut. Fenomena ini pernah ditolak sendiri oleh Schroedinger, melalui eksperimen gedanken (eksperimen dalam pikiran) yang terkenal dengan nama kucing Schroedinger. Karena fenomena kuantum tidak ditemukan dalam dunia makro, fenomena ini terkadang bersifat counter-intuitive, sehingga sering terlihat sebagai suatu paradoks.

Lalu mengapa fenomena kuantum mulai dominan dalam skala molekul atau atom? Cara termudah untuk menjawab ini adalah dengan melakukan eksperimen gedanken mengurung sebuah elektron dalam sebuah sumur potensial yang lebarnya x. Perbedaan energi antara keadaan eksitasi pertama dan keadaan dasar (yang menunjukkan sifat diskrit energi elektron tersebut) diperlihatkan pada Gambar 1. Jelas terlihat bahwa untuk skala makro feomena tersebut sulit untuk diamati, namun untuk skala sekitar 100 nm fenomena kuantum mulai terasa. Mungkin inilah sebabnya mengapa pusat penelitian NT di Universitas Ohio, USA, dinamakan Nanoscale and Quantum Phenomena Institute (NQPI). 



Gambar 1. Perbedaan energi kinetik terkecil dari elektron yang terkurung dalam potensial kotak berukuran x yang menunjukkan sifat diskrit energi (fenomena kuantum). Secara fisis, fenomena ini sudah mulai terasa jika DE mulai mendekati 1 eV, dengan kata lain jika ukuran kotak sudah mendekati 1 nm. Sebagai perbandingan, 1 eV adalah energi kinetik sebuah elektron yang dipercepat dengan beda potensial 1 volt.


Komputer Kuantum

SET yang dijelaskan oleh Ratno Nuryadi boleh jadi merupakan transistor terkecil yang pernah dibuat manusia. Meski pada level ini fenomena kuantum sudah mulai tampak, ide komputer kuantum tidak berhenti di situ. Komputer kuantum diimpikan dapat mengeksploitasi elemen yang lebih kecil yaitu molekul. Molekul terdiri dari atom-atom yang intinya memiliki spin yang dapat berinteraksi dengan medan magnetik, sehingga spin-spin tersebut dapat dipakai sebagai penyimpan informasi.

Untuk dapat memahami ide ini kita harus kembali melihat bagian terkecil dari informasi yaitu satu bit. Satu bit adalah satu keadaan fisik yang merepresentasikan salah satu dari dua jenis logika, 1 atau 0. Dalam komputer digital logika tersebut dinyatakan dalam bentuk kapasitor bermuatan atau tidak bermuatan. Satu bit informasi juga dapat disimpan dalam bentuk spin elektron dalam sebuah atom dengan logika up atau down. Namun untuk kasus terakhir ini, spin elektron dapat disiapkan dalam bentuk superposisi keadaan up dan down. Jadi sebuah atom dapat menyimpan sekaligus logika 1 dan 0 secara simultan, suatu kinerja yang tidak pernah ada dalam komputer paling modern saat ini.

Sekarang mari kita tingkatkan prestasi spin elektron dengan memandang sebuah register yang memiliki dua bit fisik. Register klasik dua bit dapat menyimpan salah satu dari bilangan 0, 1, 2, dan 3 dalam bentuk 00, 01, 10, dan 11. Namun register kuantum yang memiliki dua bit quantum (dikenal sebagai qubits) dapat menyimpan keempat angka tersebut secara simultan dalam bentuk superposisi empat keadaan spin. Secara umum jika kita memiliki N buah atom, maka register kuantum N qubit dapat menyimpan serentak 2N bilangan yang berbeda. Meskipun demikian, pengukuran terhadap register tersebut hanya menghasilkan satu bilangan saja.

Dalam mekanika kuantum kita mengenal operator yang dapat mengganggu keadaan spin elektron. Dalam dunia nyata, operator tersebut dapat berupa pulsa laser yang sudah diatur sedemikian hingga keadaan-keadaan spin dalam bentuk superposisi tadi secara serentak dapat diubah oleh pulsa laser sehingga menghasilkan suatu superposisi baru. Dari sudut pandang komputer, apa yang dilakukan oleh si "operator" tidak lain adalah komputasi paralel secara masif yang dilakukan dalam satu langkah. Jika ada 200 atom, maka proses yang sama hanya dapat dilakukan oleh 2200 prosesor. 

Di sisi lain, komputer kuantum juga menawarkan keamanan yang lebih baik dibandingkan dengan sistem enkripsi saat ini. Bidang ini kini lebih dikenal sebagai kriptografi kuantum, suatu kriptografi yang memanfaatkan hukum fisika ketimbang logika manusia.
 

Penelitian Lain

Salah satu problem yang paling rumit dalam membuat chips komputer berskala nano adalah menghubungkan komponen-komponen seperti SET karena ukurannya yang terlalu kecil. Di NQPI para peneliti mempelajari kemungkinan penggunaan rantai DNA sebagai kawat penghubung. Tampaknya hal ini agak mustahil, karena DNA bukanlah konduktor yang baik. Namun para peneliti berusaha memodifikasi DNA untuk memperbaiki daya hantarnya. Penelitian konduktivitas DNA bukan hanya bermanfaat untuk komputer kuantum, namun juga bagi bidang kedokteran. Para peneliti mengetahui adanya hubungan antara kanker dengan kerusakan DNA. Dengan meneliti bagaimana muatan ditransportasikan dalam molekul DNA, para ilmuwan berharap dapat menentukan apakah DNA tersebut sehat atau sudah rusak.

Tampaknya banyak bidang yang dapat berpartisipasi di riset berskala nano ini. Dunia elektronika tentu saja mendambakan komponen berukuran sangat kecil, karena semakin kecil komponen maka semakin cepat data bisa diolah. Tentu saja NT menjanjikan banyak hal, karena prinsip yang dipakai di sini adalah prinsip bottom-up dalam membangun material. Material baru yang lebih baik akan dibentuk dari skala atom sebagaimana alam telah mengerjakannya di awal terciptanya. Namun, bukan berarti dengan teknologi ini kita dapat mengubah besi menjadi emas, karena keduanya memiliki struktur elektron dan nukleus yang sangat berlainan. Kalau pun hal ini dipaksakan, maka kita harus belajar bagaimana alam menciptakan unsur-unsur berat melalui proses nukleo-sintesis, suatu proses yang membutuhkan milyaran derajat Celsius atau lebih karena kita harus membentuk nukleus emas terlebih dahulu. Skalanya pun sudah jauh lebih kecil yaitu femto-meter (fermi). Kalau pun kelak ilmuwan ingin masuk ke femto-teknologi, sebaiknya mereka berkonsultasi dahulu dengan komunitas yang sudah terlanjur familiar di skala ini, fisikawan nuklir dan partikel. Lagipula, untuk apa kita membuat emas berskala nano? Bukankah emas hanya berharga untuk skala makro?

(Dr. Terry Mart, staf pengajar dan peneliti pada Departemen Fisika, FMIPA UI, Depok)