Germanium Superkonduktor, Revolusi Chip Tanpa Boros Energi

Para peneliti telah mencapai terobosan penting: mereka berhasil mengubah germanium, bahan semikonduktor yang umum digunakan, menjadi germanium superkonduktor melalui rekayasa atom yang sangat presisi. Penemuan ini berpotensi mengubah total masa depan elektronik dan sirkuit kuantum, karena mampu menghilangkan kehilangan energi sepenuhnya.

Selama bertahun-tahun, ilmuwan berusaha menciptakan bahan semikonduktor yang juga bisa berfungsi sebagai superkonduktor. Jika berhasil, ini bisa meningkatkan kinerja dan efisiensi teknologi seperti chip komputer dan sel surya secara drastis. Menggabungkan dua sifat ini akan membuka jalan bagi perangkat yang lebih cepat, hemat energi, dan menjadi dasar bagi sistem kuantum generasi berikutnya.

Namun, mewujudkan visi ini sangat sulit. Bahan seperti silikon dan germanium, yang menjadi fondasi elektronik modern, selama ini menolak upaya untuk mencapai superkonduktivitas. Tantangannya adalah mempertahankan struktur atom yang sangat tepat agar elektron bisa bergerak lancar tanpa hambatan, sesuatu yang sangat sulit dilakukan.

Terobosan Besar, Germanium yang Mengalirkan Listrik Tanpa Hambatan

Kini, tim ilmuwan internasional telah membuat langkah maju yang besar. Dalam studi terbaru yang diterbitkan di Nature Nanotechnology, mereka melaporkan berhasil menciptakan versi germanium yang berperilaku sebagai germanium superkonduktor. Bahan ini mampu mengalirkan arus listrik tanpa hambatan sama sekali, memungkinkan listrik bersirkulasi tanpa henti tanpa kehilangan energi.

Baca juga: Metode Prediksi MALP, Ilmuwan Ciptakan Cara Baru Ramal Masa Depan Lebih Akurat

“Menetapkan superkonduktivitas pada germanium, yang sudah banyak digunakan dalam chip komputer dan fiber optik, berpotensi merevolusi banyak produk konsumen dan teknologi industri,” kata Javad Shabani, fisikawan dari New York University dan salah satu penulis penelitian tersebut.

Peter Jacobson, fisikawan dari University of Queensland, menambahkan bahwa bahan ini bisa menjadi dasar sirkuit kuantum, sensor, dan elektronik kriogenik berdaya rendah di masa depan. “Germanium sudah menjadi bahan utama untuk teknologi semikonduktor canggih. Dengan menunjukkan bahwa ia juga bisa menjadi germanium superkonduktor di bawah kondisi pertumbuhan yang terkontrol, kini ada potensi untuk perangkat kuantum yang bisa diskalakan dan siap diproduksi,” ujarnya.

Mengapa Germanium (dan Silikon) Begitu Penting?

Germanium dan silikon adalah elemen golongan IV dengan struktur kristal seperti intan. Ini menempatkan sifat elektroniknya di antara logam dan isolator, menjadikannya ideal untuk membuat perangkat yang tahan lama dan serbaguna. Untuk membuat bahan-bahan ini menjadi superkonduktor, para ilmuwan harus mengubah susunan atomnya untuk meningkatkan jumlah elektron yang menghantar. Elektron-elektron ini kemudian berpasangan dan bergerak bebas melalui kristal tanpa hambatan—sebuah proses yang sangat sulit dicapai dan stabil pada tingkat atom.

Tantangan Doping Galium

Dalam penelitian di Nature Nanotechnology, para ilmuwan menciptakan lapisan tipis germanium yang sangat banyak diisi dengan unsur galium. Proses lama ini, yang dikenal sebagai ‘doping’, mengubah sifat listrik semikonduktor. Namun, pada tingkat galium yang tinggi, bahan biasanya menjadi tidak stabil, menyebabkan kerusakan kristal dan menghambat superkonduktivitas.

Baca juga: Project Suncatcher Google, Misi Ambisius Kirim AI ke Luar Angkasa

Namun, dalam hasil baru yang dilaporkan, para ilmuwan menunjukkan teknik sinar-X canggih yang memaksa atom galium menggantikan atom germanium di dalam kristal pada tingkat yang lebih tinggi dari biasanya. Proses ini sedikit mengubah bentuk kristal, tetapi tetap menjaga struktur stabil yang dapat menghantarkan listrik tanpa hambatan pada suhu 3,5 Kelvin (sekitar -270 derajat Celsius), sehingga menjadi germanium superkonduktor.

Rekayasa Presisi Melalui Molecular Beam Epitaxy

“Daripada menggunakan implantasi ion, kami memakai molecular beam epitaxy untuk menggabungkan atom galium secara presisi ke dalam kisi kristal germanium,” kata Julian Steele, fisikawan dari University of Queensland. “Dengan epitaksi—menumbuhkan lapisan kristal tipis—kami akhirnya bisa mencapai presisi struktural yang dibutuhkan untuk memahami dan mengendalikan bagaimana superkonduktivitas muncul pada bahan-bahan ini.”

“Ini berhasil karena elemen golongan IV tidak secara alami menjadi superkonduktor dalam kondisi normal, tetapi memodifikasi struktur kristalnya memungkinkan pembentukan pasangan elektron yang memungkinkan superkonduktivitas,” Shabani mengamati.

Penemuan germanium superkonduktor ini adalah langkah besar dalam dunia material sains. Dengan kemampuan mengalirkan listrik tanpa hambatan pada suhu yang relatif “hangat” untuk superkonduktor (3.5 Kelvin), potensi aplikasinya sangat luas. Dari chip komputer yang super cepat dan hemat energi, hingga pengembangan sirkuit untuk komputasi kuantum, germanium superkonduktor membuka pintu bagi era baru teknologi yang lebih efisien dan canggih, memimpin revolusi di bidang elektronik dan komputasi di masa depan.

Referensi: DOI: 10.1038/s41565-025-02042-8