Apa itu topological insulator? – Part 1

Seperti yang sudah saya tulis sebelumnya, sedikit sekali orang yang mengetahui benda aneh yang bernama topological insulator. Jadi, saya sebagai fisikawan eksperimen hendak menjelaskan dalam bahasa Indonesia yang mudah dimengerti. Mudah-mudahan tidak banyak pemilihan kata yang salah (mohon maaf ya teoris) dan jangan terlalu menyesatkan (karena status sebagai orang eksperimen)

Apa itu topologi sebenarnya? Mudahnya, ini adalah ilmu tentang bentuk dan pengklasifikasiannya. Kita memerlukan pengklasifikasian karena nantinya lebih mudah untuk mengerti sifat-sifat suatu benda.

Coba bayangkan sebuah donut. Jika anda adalah semut yang berjalan di atas donut mulus, mungkin anda akan merasa permukaannya akan sama saja ratanya seperti sebuah bola mulus. Secara sifat lokal, semuanya sama saja. Tapi, jika anda melihat secara keseluruhan, anda akan sadar saat berjalan-jalan di donut itu akan ada suatu lubang yang berada di tengah-tengah benda itu. Jadi secara keseluruhan, topologi dari donut dan bola itu tidak sama (jumlah lubangnya) walau secara lokal terasa sama. Selanjutnya, tidaklah mungkin bola bisa berubah topologi menjadi donut jika kita tidak menusuk bola tersebut supaya bisa berlubang, yang akhirnya itu bukan bola lagi.

Itu kuncinya. Secara lokal terasa sama, tapi secara keseluruhan tidak sama. Dan, tidak mungkin topologi berubah tanpa kita melakukan sesuatu yang drastis (melubangi misalnya)

Sekarang kita mulai pengklasifikasian umum tentang material yang anak SMA mungkin juga sudah tahu. Ada yang namanya insulator, konduktor, semikonduktor dan superkonduktor. Semua diklasifikasikan berdasarkan apakah benda itu mudah menghantarkan listrik atau tidak.

Lalu mengapa sekarang ada kata topologicalnya didepan? Karena pita elektroniknya berbeda topologi walaupun sama-sama menunjukkan sifat serupa.

Maksudnya apa? Sama seperti bola dan donut di atas. Topological insulator bersifat sama seperti insulator biasa yakni sama-sama memiliki sela energi pada pita elektronik limbaknya (bulk electron band). Namun, jika kita memeriksa permukaan dari topological insulator, maka kita menemui sifat yang tidak ditemui di insulator biasa, yakni dia menghantarkan listrik pada permukaannya. Jadi secara lokal, topological insulator bersifat serupa dengan insulator biasa namun secara keseluruhan tidak sama karena topological insulator mengalirkan listrik pada permukaannya.

Lalu, tidaklah mungkin mengubah topological insulator menjadi insulator biasa tanpa melakukan sesuatu yang drastis kepada material tersebut. Dalam hal ini, bukanlah melubangi benda itu karena itu bukanlah kategori topologinya. Kategorinya ada terletak di struktur pita elektroniknya sendiri (yang akan saya bahas terpisah). Secara singkat, bisa saya katakan bahwa kita harus membalikkan pita konduksi dan valensi dari topological insulator supaya menjadi insulator biasa. Selain itu, kita juga bisa menghancurkan sifat topologinya dengan menambahkan pengotor magnetik dipermukaannya supaya tidak mengalirkan listrik lagi. Jika kita melakukan selain hal itu, sifat permukaannya akan selalu mengantarkan listrik dan tidak hilang. Beda halnya dengan insulator biasa yang kadang bisa mengalirkan listrik dipermukaan, tapi jika kita kotori sedikit saja maka ia langsung menjadi insulator.

Ini baru insulator, jadi tentunya material lain bisa saja ada kembarannya yang bersifat topologi juga kan? Jawabannya iya dan justru inilah yang menjadikan bidang ini besar dan berpotensi sangat luas untuk menghasilkan material generasi baru yang berguna untuk rangkaian listrik yang kita tahu sekarang atau untuk hal-hal lain pada masa depan.

Ada versi penjelasan saya yang lain yang lebih sederhana di video berikut

 

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