Sebuah studi baru-baru ini yang diterbitkan di Nature mengungkap fenomena luar biasa: atom-atom dalam bahan ultra-tipis menari sebagai respons terhadap gelombang cahaya, berputar dan tidak berputar seperti penari yang tersinkronisasi. Koreografi rumit ini berlangsung dengan kecepatan kilat – dalam skala sepertriliun detik – sehingga tidak terlihat dengan mata telanjang dan terlalu cepat untuk ditangkap oleh instrumen ilmiah konvensional.
Untuk mengungkap balet atom ini, para peneliti dari Cornell University dan Stanford University beralih ke difraksi elektron ultracepat. Teknik mutakhir ini memanfaatkan semburan elektron yang sangat singkat yang ditembakkan ke sampel segera setelah pulsa laser mengenai sampel tersebut. Anggap saja seperti kamera berkecepatan sangat tinggi yang membeku pada momen tertentu selama dansa. Dengan menganalisis bagaimana lapisan atom ini menghamburkan elektron, para ilmuwan dapat merekonstruksi pergerakannya dari waktu ke waktu.
Subyek kinerja atom ini adalah jenis material khusus yang dikenal sebagai material moiré. Bahan-bahan ini dibuat dengan menumpuk lembaran-lembaran yang sangat tipis – hanya setebal beberapa atom – di atas satu sama lain dengan sedikit ketidaksejajaran. Offset yang tampaknya kecil ini menciptakan properti unik yang dapat disetel dengan menyesuaikan lebih jauh sudut antar lapisan.
“Bayangkan menumpuk dua lembar kertas dengan sedikit putaran,” jelas Jared Maxson, profesor fisika di Cornell dan salah satu penulis studi tersebut. “Cara keduanya saling tumpang tindih menciptakan pola yang menarik – pola moiré – dan pola ini memengaruhi perilaku material.”
Sifat-sifat ini dapat dimanipulasi untuk membuat material bertindak seperti superkonduktor – memungkinkan listrik mengalir tanpa hambatan – atau menciptakan perilaku elektronik yang tidak biasa, membuka pintu bagi inovasi dalam elektronik kuantum dan teknologi mutakhir lainnya.
Sebelumnya, para ilmuwan percaya bahwa setelah ditumpuk pada sudut tetap, struktur material moiré ini tetap statis. Namun, penelitian inovatif ini menunjukkan bahwa atom-atom dalam struktur berlapis ini jauh dari kata kaku. Sebaliknya, mereka menunjukkan gerakan dinamis, berputar sebentar menjadi lebih erat saat terkena cahaya sebelum muncul kembali, seperti pegas terkompresi yang melepaskan energinya.
“Temuan ini menantang asumsi sebelumnya,” tambah Fang Liu, pemimpin proyek di Stanford dan salah satu penulis koresponden. “Kami telah melihat bahwa atom-atom di dalam sel satuan moiré ini berfungsi hampir seperti tarian lingkaran.”
Keberhasilan percobaan ini bergantung pada pengembangan bahan khusus oleh tim Liu di Stanford dan instrumen difraksi elektron ultracepat buatan Cornell, yang dilengkapi dengan detektor sangat sensitif yang disebut EMPAD.
EMPAD, awalnya dirancang untuk menangkap gambar diam, dalam penelitian ini diubah fungsinya menjadi kamera yang sangat cepat yang mampu menangkap pergerakan atom sekilas ini. “Kebanyakan detektor akan mengaburkan sinyalnya,” kata Maxson. “EMPAD memungkinkan kami melihat fitur-fitur luar biasa halus yang mungkin saja hilang dengan mudah.”
Upaya kolaboratif ini menandai tonggak penting dalam pemahaman kami tentang bahan moiré. Ini menunjukkan kekuatan difraksi elektron ultracepat untuk memvisualisasikan fenomena skala nano dan membuka jalan menarik untuk memanipulasi perilaku kuantum secara real-time menggunakan cahaya. Eksperimen di masa depan akan mengeksplorasi bagaimana berbagai material dan sudut puntir merespons gelombang cahaya, membuka jalan bagi potensi kemajuan revolusioner di berbagai bidang mulai dari superkonduktivitas hingga komputasi kuantum.
