“Kalau bisa masuk artikel di Nature, itu sudah keren banget”, kalimat itu sering dilontarkan oleh salah satu pengajar Pengantar Nanoelektronik di Universitas Indonesia. Kali ini, ada berita yang bisa membuat orang Indonesia turut berasa bangga. Tim peneliti IBM, dikepalai oleh Oki Gunawan, PhD, menemukan fenomena fisika baru, fenomena ini dinamakan Carrier Resolved Photo-Hall Effect. Artikel inipun sudah di terima oleh Nature dan sudah dapat dibaca oleh semua orang. Ini bukan sesuatu yang mudah, perjalanan panjang sudah dilalui oleh bapak Oki Gunawan dan tim, terdapat beberapa pemberitaan dari media online Kompas, sayang sekali jurnalis media tersebut hanya melakukan transliterasi dari sebuah artikel dari media online bahasa Inggris lain sehingga banyak hal  yang hilang dalam terjemahan (baca: https://sains.kompas.com/read/2019/10/24/070300523/tim-fisikawan-indonesia-ungkap-rahasia-140-tahun-dalam-elektronika?page=all).

Artikel blog ini saya tulis karena mengingat perkataan dosen saya waktu kuliah, takjub atas tembusnya artikel ini di Nature. Melihat isinya pun, saya melihat banyak sekali aplikasi di bidang semikonduktor yang dapat terbantu oleh penemuan ini. Melihat bahwa penulis utama dan peneliti utama dari tim IBM ini adalah seorang ilmuwan asal Indonesia memberikan rasa kebanggaan dan motivasi, saya harap teman-teman yang membaca artikel ini bisa ikut termotivasi dengan pencapaian ini.

Sistem Baris Dipol Sejajar (Parallel Dipole Line System)

Seperti yang sering terjadi di dunia Fisika dan sains pada umumnya, penemuan ini dibantu oleh ditemukannya penemuan lain. Pada tahun 2015, tim IBM ini menemukan efek medan magnetik baru, diberi nama efek punuk unta (camelback effect). Efek ini merupakan bagian penting dari penemuan jebakan magnetik baru, yang disebut jebakan magnetik baris dipol sejajar (parallel dipole line). Jebakan magnet ini dapat dikembangkan untuk aplikasi sensor, seperti seismometer atau tiltmeter. Namun saat elemen jebakan magnet ini diputar, dapat menghasilkan osilasi medan magnet murni (sinusoidal), yang searah dan kuat.

Melihat Detil Pembawa Muatan dengan Efek Foto-Hall

Selama ini terdapat dua cara untuk mengetahui pergerakan muatan dalam sebuah bahan konduktor/semikonduktor. Hukum Ohm dan Efek Hall adalah kedua cara yang paling umum. Hukum Ohm tidak asing lagi, walaupun kita biasa mengenalnya dengan (V = IR), namun bisa juga kita tuliskan sebagai . Dimana jika ada bahan semikonduktor/konduktor yang kita berikan medan listrik tertentu, kita dapat mengukur densitas arusnya, untuk mendapatkan konduktivitas dari bahan tersebut. Dengan Efek Hall , kita dapat menambahkan medan magnet yang menyebabkan adanya gaya Lorentz pada pembawa muatan tersebut sehingga kita dapat mengetahui pergerakan pembawa muatan mayoritas di bahan semikonduktor tersebut. Penemuan baru oleh tim IBM ini menambahkan foton, sebuah eksitasi selain medan listrik dan medan magnet, untuk mendapatkan informasi lebih detil tentang muatan tersebut.

Carrier Resolved Photo-Hall Effect (CRPH) menggunakan osilasi medan magnet (dari perputaran PDL) dan penambahan cahaya atau foton (photon). Seperti yang kita ketahui, jika foton mengenai sebuah bahan semikonduktor, akan menghasilkan sepasang elektron dan lubang (hole). Kedua pembawa muatan (mayoritas dan minoritas), yaitu hole dan elektron masing-masing membuat nilai konduktivitas () dan koefisien Hall (H) berubah sesuai dengan jumlah foton yang diterima. Dengan memetakan nilai konduktivitas dan koefisien Hall sebagai fungsi terhadap intensitas cahaya (foton), ditemukan hubungan antara konduktivitas dan koefisien Hall. Informasi yang terkubur dari relasi ini adalah perbedaan mobilitas dari kedua pembawa muatan, yang dapat dijabarkan dengan rumus:

Dengan efek Hall klasik, kita dapat menemukan densitas pembawa muatan mayoritas dan mobilitasnya, dengan perbedaan mobilitas yang ditemukan oleh pengukuran menggunakan CRPH, tim ini dapat menemukan nilai densitas pemabawa muatan minoritas dan juga mobilitasnya. Selain dari penemuan teori ini, tim IBM melaporkan penggunaan osilasi medan magnet dan metode penguncian frekuensi dan fasa yang dapat menghilangkan frekuensi lain yang hanya berupa derau (noise) dengan deteksi menggunakan lock-in. Selain mobilitas muatan, parameter lain yang dapat ditemukan adalah masa hidup pembawa muatan (carrier lifetime) dan panjang difusi (diffusion length) dari masing-masing pembawa muatan. Hal ini dilakukan dengan mengambil data sebanyak N kali untuk masing-masing jumlah intesitas cahaya yang berbeda.

Kenapa Penemuan ini Penting?

Semua perangkat elektronik yang kita pakai ini adalah hasil dari perjalanan panjang perkembangan teknologi semikonduktor. Semikonduktor adalah bahan yang dapat diatur konduktivitasnya. Bahan ini adalah bahan terpenting dalam semua perangkat elektronik. Untuk mengetahui lebih lanjut fenomena fisika yang terjadi di sebuah bahan semikonduktor, diperlukan beberapa pengukuran parameter-parameter pembawa muatan listrik (charge carrier), mulai dari mobilitas, densitas pembawa muatan, masa hidup rekombinasi pembawa muatan minoritas, dan panjang difusi pembawa muatan ini. Dengan mempunyai metode untuk mendapatkan informasi-informasi ini, karakteristik fisik dari bahan-bahan semikonduktor generasi baru dapat diketahui dengan detil. Bahan semikonduktor baru dapat memberikan jalan bagi perangkat-perangkat elektronik yang lebih baik, mulai dari sel surya, devais optoelektronik lainnya, bahkan untuk pengembangan devais-devais terbaru lainnya.

Akhir kata, penemuan ini memberi pembaharuan dari fenomena elektromagnetik yang berumur 140 tahun, perjalanan panjang dari fenomena Hukum Ohm yang hampir 200 tahun. Saya berharap dengan tulisan ini, teman-teman yang sedang belajar dan ingin mendalami dunia elektronika dapat termotivasi, Terutama untuk junior-junior di Universitas Indonesia yang lanjut mengerjakan Organic Light Emitting Diode maupun Perovskite Solar Cell. Namun secara umum, tulisan ini saya harap juga dapat menjadi uplifting news bagi khalayak umum, bahwa peneliti asal Indonesia mampu menemukan fenomena Fisika yang dapat melanjutkan hukum Ohm dan efek Hall.