Sekilas Tentang Topological Insulator

Sebagai bagian dari proposal penelitian untuk beasiswa dari Lembaga Pengelola Dana Pendidikan (LPDP), saya menulis proposal penelitan yang menjadi bagian dari dokumen pendaftaran saya. Di bawah ini saya tampilkan bagian pendahuluan tentang Topological Insulator.


Topological Insulator (TI) adalah sebuah kelas material terbaru dalam bidang fisika benda terkondensasi (condensed matter physics, CMP) yang mempunyai sifat secara umum yaitu insulator di bagian dalamnya (bulk) dan konduktor di bagian permukaan (surface) [1, 2, 3]. Sifat arus listrik yang bisa mengalir di permukaan TI juga mempunyai sifat yang unik yaitu terjadinya spin polarized current dimana salah satu jenis polarisasi spin dari elektron diperbolehkan untuk mengalir jika dan hanya jika ke satu arah arus elektron tertentu [4]. Akibat dari sifat ini adalah spin locked current yang mencegah terjadinya hamburan elektron ke arah lain saat elektron sedang melaju dalam satu arah tertentu menurut arah spin polarized current sebelumnya. Sifat ini sangat berguna dalam mereduksi hambatan listrik suatu material untuk penghematan konsumsi listrik di masa depan. Sifat topologi di material ini juga memastikan tingginya kestabilan material ini terhadap pengaruh eksternal seperti kontaminasi udara, doping, impurity, dan lain-lain. Dengan demikian, material ini akan menambah waktu guna suatu komponen elektronika di dalam industri di masa yang akan datang.

TI sendiri baru direalisasikan melalui eksperimen di tahun 1980 oleh von Klitzing et al dalam eksperimen Quantum Hall effect di semikonduktor 2 dimensi (2D) di bawah pengaruh medan magnet skala besar [5]. Kuantisasi Hall effect ini sudah diprediksi sebelumnya dalam teori oleh T. Ando dan Y. Uemura di tahun 1974 [6]. Namun setelah hasil eksperimen oleh von Klitzing tersebut, Thouless, Kohmoto, Nightingale, dan den Nijs (TKNN) menganalisa lebih lanjut dan memastikan bahwa peri- stiwa ini juga sangat topological [7]. Hal ini menandakan era baru dalam fisika eksperimen condensed matter untuk pencarian material dengan sifat topologi yang unik.

Kata topologi/topological sendiri dipinjam dari ilmu geometri di matematika yang mempelajari bentuk dan ruang secara umum. Dalam topologi, bentuk gelas dan bentuk donat dikatakan mem- punyai jenis topologi yang sama karena mempunyai satu buah lubang. Dalam penerapannya di CMP, ruang dan bentuk yang dipelajari mencakup banyak hal seperti bentuk fungsi gelombang di ruang hilbert suatu material, relasi dispersi ruang fase (phase space) dari material tersebut dan hal-hal lain yang menunggu untuk ditemukan. Sama halnya seperti pengelompokan gelas dan do- nat dalam kategori yang sama, topologi dalam fisika benda terkondensasi ini juga terkait dengan pengelompokan material berdasarkan jenis topologi yang sama. Terbukanya banyak kemungkinan mendefinisikan topologi seperti yang disebutkan di atas itulah yang membuat cabang fisika ini sangat hangat dibicarakan dan digeluti.

Perkembangan lebih lanjut dari riset TI adalah dengan berhasil dibuktikannya keberadaan TI berbentuk 3 dimensi (3D) yang memenuhi topologi Z_2 yang non-trivial. Z_2 disini menandakan be- rapa kali energy band di phase space memotong tingkat energi fermi di material tersebut. Saat jumlah pemotongan adalah ganjil, maka topologi dari material tersebut dinyatakan non-trivial dan mempunyai sifat-sifat seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya. Hsieh et al berhasil memetakan baik relasi dispersi permukaan maupun bulk dari material \mathrm{Bi}_{1-x} \mathrm{Sb}_x dengan menggunakan Angle Resolved Photo Emission Spectroscopy (ARPES) dan membuktikan bahwa material ini adalah TI 3D [8]. Penemuan TI dalam bentuk 3D ini telah menarik perhatian banyak peneliti material karena membuka kemungkinan bahwa material-material yang sudah ditemukan dan dipasarkan sebelumnya mempunyai sifat topologi yang belum ditemukan [4].

Ke depannya, bidang elektronik akan segera digantikan dengan bidang spintronik dimana manip- ulasi spin elektron menjadi permainan utama dalam rangkaian listrik [9]. TI adalah kandidat terkuat dalam bidang ini dimana sifat spin polarized current menjadi modal dasar dari aplikasi spintronik. Manipulasi material ini menjadi pembawa quantum bit di teknologi komputer kuantum mendatang juga sangat menjanjikan. Dengan demikian, penelitian dalam bidang topological insulator adalah sebuah investasi dasar demi pengembangan teknologi masa depan.

References

[1]  Xiao-Liang Qi and Shou-Cheng Zhang. Topological insulators and superconductors. Rev. Mod. Phys., 83:1057–1110, Oct 2011.

[2]  Joel E Moore. The birth of topological insulators. Nature, 464:194–198, Mar 2010.

[3]  M. Z. Hasan and C. L. Kane. Colloquium : Topological insulators. Rev. Mod. Phys., 82:3045–3067, Nov 2010.

[4]  Yoichi Ando. Topological insulator materials. Journal of the Physical Society of Japan, 82(10):102001, 2013.

[5]  K. v. Klitzing, G. Dorda, and M. Pepper. New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized hall resistance. Phys. Rev. Lett., 45:494–497, Aug 1980.

[6]  Tsuneya Ando and Yasutada Uemura. Theory of quantum transport in a two-dimensional electron system under magnetic fields. i. characteristics of level broadening and transport under strong fields. Journal of the Physical Society of Japan, 36(4):959–967, 1974.

[7]  D. J. Thouless, M. Kohmoto, M. P. Nightingale, and M. den Nijs. Quantized hall conductance in a two-dimensional periodic potential. Phys. Rev. Lett., 49:405–408, Aug 1982.

[8]  D. Hsieh, D. Qian, L. Wray, Y. Xia, Y. S. Hor, R. J. Cava, and M. Z. Hasan. A topological dirac insulator in a quantum spin hall phase. Nature, 452:970–974, Apr 2008.

[9]  Igor Zˇuti ́c, Jaroslav Fabian, and S. Das Sarma. Spintronics: Fundamentals and applications. Rev. Mod. Phys., 76:323–410, Apr 2004.


Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s