Atom padatan amorf seperti kaca tidak memiliki struktur teratur; mereka menyusun dirinya secara acak, seperti butiran pasir yang berserakan di pantai. Biasanya, membuat bahan menjadi amorf – suatu proses yang dikenal sebagai amorfisasi – memerlukan sejumlah besar energi. Teknik yang paling umum adalah proses pendinginan leleh (melt-quench), yang melibatkan pemanasan bahan hingga mencair, lalu mendinginkannya dengan cepat sehingga atom tidak punya waktu untuk membentuk kisi kristal.
Kini, para peneliti di Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Pennsylvania (Penn Engineering), Institut Sains India (IISc) dan Institut Teknologi Massachusetts (MIT) telah mengembangkan metode baru untuk mengamorfisasi setidaknya satu material – kabel yang dibuat dari indium selenide, atau In2Ya3 — yang memerlukan kepadatan daya sedikitnya satu miliar kali lebih sedikit, suatu hasil yang dijelaskan dalam a kertas baru masuk Alam. Kemajuan ini dapat membuka aplikasi yang lebih luas untuk memori perubahan fase (PCM) – sebuah teknologi memori menjanjikan yang dapat mengubah penyimpanan data di perangkat dari ponsel ke komputer.
Dalam PCM, informasi disimpan dengan mengalihkan material antara keadaan amorf dan kristal, berfungsi seperti saklar on/off. Namun, komersialisasi skala besar dibatasi oleh tingginya daya yang diperlukan untuk menciptakan transformasi ini. “Salah satu alasan mengapa perangkat memori perubahan fase belum digunakan secara luas adalah karena energi yang dibutuhkan,” kata Ritesh Agarwal, Srinivasa Ramanujan Distinguished Scholar dan Profesor Ilmu dan Teknik Material (MSE) di Penn Engineering dan salah satu dari penulis senior makalah.
Selama lebih dari satu dekade, kelompok Agarwal telah mempelajari alternatif selain proses pendinginan leleh, menyusul penemuan mereka pada tahun 2012 bahwa pulsa listrik dapat mengamorfisasi paduan germanium, antimon, dan telurium tanpa perlu melelehkan material tersebut.
Beberapa tahun yang lalu, sebagai bagian dari upaya tersebut, salah satu penulis pertama makalah baru ini, Gaurav Modi, yang saat itu merupakan mahasiswa doktoral di MSE di Penn Engineering, mulai bereksperimen dengan indium selenide, sebuah semikonduktor dengan beberapa sifat yang tidak biasa: bersifat feroelektrik, artinya bersifat feroelektrik. dapat terpolarisasi secara spontan, dan piezoelektrik, yang berarti bahwa tekanan mekanis menyebabkannya menghasilkan muatan listrik dan, sebaliknya, muatan listrik merusak bentuk material.
Modi menemukan metode baru ini secara tidak sengaja. Dia mengalirkan arus melalui In2Ya3 kabel ketika tiba-tiba berhenti menghantarkan listrik. Setelah diperiksa lebih dekat, bentangan kabel yang panjang telah berubah bentuk. “Ini sungguh luar biasa,” kata Modi. “Saya sebenarnya mengira saya mungkin telah merusak kabelnya. Biasanya, Anda memerlukan pulsa listrik untuk menginduksi segala jenis amorfisasi, dan di sini arus yang terus menerus telah mengganggu struktur kristal, dan hal ini seharusnya tidak terjadi.”
Mengungkap misteri itu membutuhkan waktu lebih dari tiga tahun. Agarwal mengirimkan sampel kabel ke salah satu mantan mahasiswa pascasarjana, Pavan Nukala, yang sekarang menjadi Asisten Profesor di IISc dan anggota Pusat Sains dan Teknik Nano (CeNSE) di sekolah tersebut dan salah satu penulis senior makalah lainnya. “Selama beberapa tahun terakhir kami telah mengembangkan serangkaian di situalat mikroskop di sini di IISc. Ini adalah waktu untuk mengujinya – kami harus melihat dengan sangat hati-hati untuk memahami proses ini,” kata Nukala. “Kami mempelajari berbagai properti In2Ya3 — aspek 2D, feroelektrik, dan piezoelektrik — semuanya bersatu untuk merancang jalur energi ultralow untuk amorfisasi melalui guncangan.”
Pada akhirnya, para peneliti menemukan bahwa prosesnya menyerupai longsoran salju dan gempa bumi. Pada awalnya, bagian-bagian kecil – diukur dalam sepersejuta meter – di dalam In2Ya3kabel mulai mengalami amorf karena arus listrik merusaknya. Karena sifat piezoelektrik dan struktur berlapis kabel, arus mendorong sebagian lapisan ini ke posisi tidak stabil, seperti pergeseran halus salju di puncak gunung.
Ketika titik kritis tercapai, gerakan ini memicu penyebaran deformasi yang cepat ke seluruh kawat. Daerah yang terdistorsi bertabrakan, menghasilkan gelombang suara yang bergerak melalui material, mirip dengan gelombang seismik yang merambat melalui kerak bumi saat terjadi gempa bumi.
Gelombang suara ini, yang secara teknis dikenal sebagai “sentakan akustik”, mendorong deformasi tambahan, menghubungkan sejumlah area amorf kecil menjadi satu area berukuran mikrometer – ribuan kali lebih besar dari area aslinya – seperti longsoran salju yang mengumpulkan momentum di lereng gunung. “Rasanya merinding melihat semua fenomena ini berinteraksi pada skala panjang yang berbeda secara bersamaan,” kata Shubham Parate, mahasiswa doktoral IISc dan salah satu penulis makalah tersebut.
Upaya kolaboratif untuk memahami proses ini telah menciptakan lahan subur bagi penemuan-penemuan di masa depan. “Hal ini membuka bidang baru mengenai transformasi struktural yang dapat terjadi pada suatu material ketika semua sifat ini digabungkan. Potensi temuan ini untuk merancang perangkat memori berdaya rendah sangatlah besar,” kata Agarwal.