Para peneliti Brown University, Amerika Serikat, mengembangkan pendekatan baru untuk menghasilkan material multiferroik super tipis yang tetap mempertahankan sifat listrik dan magnetiknya. Penelitian yang dipublikasikan dalam jurnal Nature Materials pada 28 Oktober 2026 ini membuka peluang pengembangan chip kecerdasan buatan dengan konsumsi energi lebih rendah. Material yang digunakan adalah bismuth ferrite, senyawa yang selama ini menghadapi tantangan ketika dibuat menjadi lapisan sangat tipis. Melalui rekayasa struktur kristal dan pengaturan medan listrik, peneliti berhasil mengatasi fenomena dead layer yang sebelumnya membatasi pengembangannya. Temuan ini menjadi perkembangan menarik dalam dunia TEKNOLOGI semikonduktor dan komputasi masa depan.
Terobosan Bismuth Ferrite Membuka Peluang Chip AI Hemat Energi
Para ilmuwan dari Brown University mendemonstrasikan pendekatan baru terhadap material multiferroik berukuran sangat tipis. Studi ilmiah tersebut diterbitkan sebagai artikel penelitian di Nature Materials pada 28 Oktober 2026. Senyawa yang dikembangkan dalam eksperimen adalah bismuth ferrite atau BiFeO3 yang memiliki sifat ferroelektrik dan magnetik. Kombinasi tersebut menjadi dasar penelitian komponen komputasi baru. Melalui pengendalian struktur material, peneliti menunjukkan fungsi multiferroik dalam lapisan ultratipis.
Penelitian ini dipimpin oleh Lucas Caretta, seorang asisten profesor teknik di Brown University. Temuan yang paling menarik dari penelitian ini adalah hilangnya lapisan tidak aktif atau dead layer. Selama ini, pengurangan ketebalan sering menghilangkan sifat yang dibutuhkan. Hambatan fisika tersebut menjadi persoalan besar bagi integrasi ke chip. Melalui metode rekayasa yang dikembangkan, peneliti memperlihatkan kemungkinan mengatasi keterbatasan itu. Namun demikian, penelitian tersebut masih berada pada tahap pengembangan material.
Mengenal Material Multiferroik dan Cara Kerjanya
Material multiferroik merupakan kelompok bahan yang memiliki lebih dari satu keteraturan ferroik. Pada bismuth ferrite, sifat ferroelektrik mendukung pengaturan arah polarisasi menggunakan medan listrik. Secara sederhana, polarisasi tersebut berkaitan dengan susunan muatan positif dan negatif. Ketika tegangan diterapkan, arah polarisasi dapat diubah. Perbedaan kondisi listrik tersebut dapat menjadi dasar penyimpanan nilai biner. Melalui sifat ferroelektriknya, material berpotensi membantu mengurangi kebutuhan daya penyimpanan.
Keunggulan potensial senyawa multiferroik bukan hanya berasal dari sifat ferroelektrik. Dalam sistem multiferroik yang sesuai, keadaan listrik dan magnetik dapat saling memengaruhi. Dalam penerapan yang memungkinkan, perubahan polarisasi listrik membuka peluang pengaturan sifat magnet menggunakan tegangan. Pendekatan tersebut menawarkan alternatif dalam rancangan sirkuit masa depan. Tidak seperti pendekatan yang membutuhkan aliran arus cukup besar, pengendalian melalui medan listrik berpotensi membutuhkan energi lebih rendah. Walaupun prinsipnya menarik, efisiensi nyata harus dibuktikan melalui pengujian komponen.
Mengapa Material Multiferroik Kehilangan Sifatnya Saat Menipis
Salah satu hambatan terbesar adalah fenomena dead layer yang membuat sebagian lapisan kehilangan kemampuan listrik atau magnetik. Apabila jumlah lapisan atom terus berkurang, kondisi struktur berpotensi mengalami perubahan susunan atom. Perubahan tersebut berisiko menurunkan karakteristik multiferroik. Sebagai faktor fisika tambahan, medan listrik internal berpotensi melemahkan keteraturan listrik. Kondisi ini menyebabkan lapisan kehilangan sebagian fungsinya. Dengan mempertimbangkan persoalan tersebut, mengatasi dead layer menjadi langkah penting menuju perangkat ultratipis.
Peneliti Brown University merancang metode yang mempertahankan karakteristik kristal serta polarisasi. Dalam pengaturan susunan atom, mereka menerapkan rekayasa regangan pada film. Pada pengaturan medan listrik, peneliti memanfaatkan struktur logam guna menstabilkan polarisasi. Perpaduan pendekatan struktural dan elektrostatis membantu mempertahankan sifat multiferroik. Berkat pendekatan yang terkoordinasi, tim menunjukkan kondisi tanpa dead layer. Pencapaian tersebut menawarkan pendekatan baru terhadap batas miniaturisasi material.
Substrat Dysprosium Scandate Membantu Mempertahankan Sifat Material
Pada proses pembuatan material, peneliti menumbuhkan lapisan bismuth ferrite pada substrat khusus. Lapisan dasar dalam eksperimen adalah dysprosium scandate yang menawarkan ukuran kisi kristal yang tidak identik. Ketidakcocokan ukuran kisi ini menciptakan compressive strain dalam film. Regangan tersebut mendukung kestabilan konfigurasi kristal. Berkat rekayasa hubungan antara film dan substrat, peneliti berhasil menstabilkan fase material tertentu. Metode rekayasa kristal tersebut menjadi contoh pemanfaatan struktur kristal untuk fungsi elektronik.
Sebagai pelengkap pengendalian struktur, para peneliti menambahkan lapisan logam kedua. Lapisan tersebut mendukung pengelolaan muatan yang dapat menyebabkan depolarisasi. Ketika pengaruh depolarisasi terlalu kuat, polarisasi listrik mungkin kehilangan kestabilannya. Dengan memadukan regangan epitaksial serta pengaturan medan listrik, penelitian menunjukkan kestabilan listrik serta magnetik. Melalui karakterisasi material, sifat multiferroik dapat dipertahankan hingga skala yang sangat kecil. Meski hasilnya signifikan, proses fabrikasi tersebut membutuhkan evaluasi integrasi dengan industri semikonduktor.
Sifat Altermagnetik Membuka Peluang Baru bagi Komponen Elektronik
Di samping menunjukkan kestabilan pada lapisan tipis, penelitian menemukan indikasi keteraturan magnetik altermagnet. Dalam fisika material, altermagnetisme adalah bentuk keteraturan magnetik yang berbeda dari feromagnetisme biasa. Dalam material feromagnetik konvensional, keadaan spin menghasilkan magnetisasi bersih. Sebaliknya, antiferomagnet memiliki orientasi magnetik berlawanan yang dapat saling meniadakan. Altermagnet memiliki simetri elektronik yang khas. Konfigurasi spin tersebut membuka peluang penggunaan pada memori masa depan.
Kelompok ilmuwan yang mengembangkan film bismuth ferrite melaporkan bukti yang mendukung keberadaan sifat altermagnetik pada susunan atom yang distabilkan melalui rekayasa. Dalam lapisan dengan empat unit sel kristal, eksperimen menunjukkan kondisi yang mendukung keteraturan altermagnetik. Hasil karakterisasi ini didukung metode pencitraan dan pengukuran magnetik. Selain itu, peneliti melaporkan tekstur topologis dalam material. Karakteristik yang muncul ini menunjukkan bahwa miniaturisasi dapat menghasilkan sifat baru. Namun demikian, penerapan altermagnetisme dalam chip AI masih membutuhkan penelitian perangkat lebih lanjut.
Material Multiferroik Berpotensi Mendukung Chip AI Hemat Energi
Pertumbuhan penggunaan AI meningkatkan perhatian terhadap konsumsi listrik pusat data. Pada perangkat pemrosesan digital modern, perpindahan data antara memori dan prosesor membutuhkan energi. Komponen berbasis sifat magnetoelektrik menawarkan peluang integrasi penyimpanan dan fungsi logika. Sifat nonvolatil yang memungkinkan informasi bertahan berpeluang mengurangi kebutuhan energi tertentu. Namun demikian, tingkat efisiensi chip AI masih harus diukur pada prototipe perangkat.
Dalam mengembangkan chip berbasis multiferroik, para ilmuwan harus menyelesaikan beberapa persoalan rekayasa. Aspek penting dalam proses berikutnya adalah pengendalian kualitas material selama proses manufaktur. Di samping persoalan produksi, peneliti sebaiknya memeriksa ketahanan material terhadap perubahan berulang. Faktor seperti stabilitas temperatur harus dipertimbangkan secara menyeluruh. Sebelum kemampuan sistem dibuktikan, klaim efisiensi energi tidak dapat diterjemahkan langsung menjadi performa chip komersial. Melalui pengembangan komponen yang lebih matang, material ini berpotensi memperluas pilihan perangkat keras untuk AI.
Secara keseluruhan, pengembangan material multiferroik super tipis oleh Brown University membuka arah baru bagi penelitian komponen elektronik. Kemampuan mempertahankan sifat ferroelektrik dan magnetik menawarkan peluang penggunaan material multiferroik dalam rangkaian masa depan. Temuan altermagnetisme juga memberikan nilai ilmiah tambahan. Kendati penelitian menunjukkan kemajuan besar, penerapan pada chip AI hemat energi masih membutuhkan pengujian lanjutan. Kemajuan rekayasa semikonduktor tersebut memberikan harapan bagi perangkat keras masa depan. Menurut Anda, apakah penelitian lapisan atomik akan mengubah desain chip masa depan? Ceritakan pemikiran Anda mengenai inovasi teknologi semikonduktor generasi berikutnya.