Elektronika terus mengalami miniaturisasi, tetapi material silikon mulai menemui batasan fisik. Para ilmuwan kini beralih ke komponen yang jauh lebih kecil dari transistor, yakni molekul tunggal yang bisa berfungsi sebagai elemen sirkuit.
Salah satu tantangan utama adalah bagaimana menghubungkan molekul tunggal tersebut secara stabil dan bersih ke elektroda logam. Tim peneliti di Jepang berhasil mengatasi masalah ini dengan menggunakan saklar atom berbasis perak yang dapat menghubungkan molekul individual ke elektroda dalam perangkat padat.
Pendekatan Saklar Atom untuk Koneksi Molekul
Para peneliti dari Institute of Science Tokyo dan mitra lainnya mengembangkan saklar atom perak yang dapat membentuk dan memutuskan filamen logam selebar satu atom. Dalam celah hasil putus tersebut, sebuah molekul dapat masuk dan membawa arus listrik. Teknik ini memungkinkan pengkabelan molekul yang stabil tanpa harus mengandalkan mekanisme fisik yang rumit.
Menurut Associate Professor Satoshi Kaneko, “Pemanfaatan saklar atom memungkinkan pengkabelan molekul yang stabil dalam lingkungan solid-state, sehingga tegangan dapat langsung diterapkan ke molekul fungsional.” Inovasi ini membawa elektronika molekuler dari tahap eksperimental menuju aplikasi nyata.
Mekanisme Kerja Saklar Atom Perak
Berbeda dengan metode tradisional seperti mechanical break junction yang melibatkan pembengkokan kawat logam hingga putus, pendekatan ini memanfaatkan lapisan tipis tantalum oksida (Ta₂O₅). Pada satu elektroda terdapat perak, dan pada elektroda lain terdapat counter electrode. Saat tegangan positif sekitar 0,3 volt diterapkan, atom perak bergerak melintasi oksida dan membentuk filamen kecil yang menghubungkan elektroda.
Ketika tegangan dibalik, filamen tersebut larut kembali menjadi ion dan sambungan terputus. Siklus pembentukan dan pelepasan filamen ini dapat diulang dengan stabil di bawah kondisi vakum tinggi hingga dalam atmosfer gas.
Peran Molekul Asetilena dalam Pengaliran Arus
Penemuan kunci terjadi ketika asetilena diperkenalkan dalam ruang eksperimen. Molekul asetilena dapat terperangkap di antara dua ujung filamen perak saat filamen putus. Molekul ini kemudian berperan sebagai jembatan konduktor yang menghubungkan kedua elektroda. Dengan demikian, perangkat ini bertransformasi menjadi sambungan molekul tunggal.
Tim menggunakan inelastic electron tunneling spectroscopy untuk memastikan molekul asetilena benar-benar membawa arus. Metode ini mendeteksi getaran molekul melalui sinyal listrik yang unik dan mengonfirmasi kehadiran asetilena sebagai jalur arus listrik. Tanpa asetilena, sinyal getaran ini tidak muncul, menegaskan peran kunci molekul tersebut.
Keunggulan dan Implikasi Saklar Atom dalam Elektronika
Keuntungan besar dari metode ini adalah pengoperasian saklar yang dikendalikan secara elektrik, tanpa perlu pengaturan mekanik yang presisi. Hal ini memungkinkan integrasi beberapa saklar pada satu chip secara paralel dan sekaligus, membuka peluang untuk sirkuit molekular yang skalabel.
Tegangan operasi yang rendah, hanya sekitar 0,3 volt, juga mengurangi konsumsi energi dan panas, faktor penting dalam perangkat kompak seperti ponsel atau alat medis yang dipakai di tubuh.
Walaupun saat ini kestabilan sambungan molekul baru bertahan dalam hitungan fraksi detik, penelitian ini membuktikan konsep pengkabelan molekul berbasis saklar atom dapat berfungsi di kondisi solid. Ini membuka peluang pengembangan memori molekular, logika neuromorfik, dan sensor kimia-biologis yang sangat sensitif.
Potensi Masa Depan dan Manfaat Lingkungan
Teknologi sirkuit molekular memungkinkan densitas komponen jauh lebih tinggi daripada silikon tradisional. Perangkat masa depan dapat memiliki kapasitas memori lebih besar, efisiensi energi lebih baik, dan suhu operasional lebih rendah. Selain itu, kemampuan mendeteksi molekul tunggal berpotensi merevolusi sensor medis dan deteksi bahaya kimia.
Pendekatan saklar atom juga dapat mempercepat riset pada komputasi yang meniru fungsi otak dan tipe memori baru yang menggabungkan penyimpanan dan pemrosesan data. Tidak kalah penting, teknologi ini menawarkan kemungkinan mengurangi limbah elektronik dan konsumsi energi, mendukung keberlanjutan lingkungan.
Hasil riset ini telah dipublikasikan dalam jurnal Small, menandai kemajuan signifikan dalam penggunaan molekul sebagai komponen elektronik masa depan.
