Ilmuwan Ciptakan Perangkat Panas yang Bisa Diprogram untuk Chip

Telset.id – Para peneliti dari Osaka Metropolitan University berhasil menciptakan perangkat termal yang dapat diprogram untuk mengontrol radiasi panas dengan presisi tinggi. Temuan ini menawarkan solusi baru untuk manajemen termal pada chip berperforma tinggi, sensor inframerah, dan sistem energi.

Perangkat inovatif ini mampu mengingat konfigurasinya bahkan setelah daya listrik dimatikan. Kemampuan tersebut mengatasi dua hambatan utama yang selama ini menghalangi realisasi praktis perangkat termal nonresiprokal. Hasil riset ini telah dipublikasikan di jurnal Laser & Photonics Reviews.

Perangkat tersebut menggabungkan material magneto-optik, yang mengubah sifat optiknya saat terkena medan magnet, dengan material pengubah fase bernama germanium-antimony-tellurium (GST). Kombinasi ini memungkinkan kontrol independen terhadap bagaimana suatu permukaan menyerap dan memancarkan radiasi inframerah.

Tidak seperti desain sebelumnya yang kehilangan fungsinya begitu daya dimatikan atau hanya bekerja saat cahaya mengenai permukaan pada sudut ekstrem, perangkat baru ini beroperasi hampir secara frontal. Perangkat ini juga mempertahankan status programnya tanpa memerlukan energi terus-menerus.

Dalam kondisi normal, material mengikuti prinsip fisika yang menyatakan jika suatu permukaan secara efisien menyerap panas pada panjang gelombang dan arah tertentu, maka permukaan tersebut juga harus memancarkan panas dengan cara yang sama. Hubungan ini, yang dikenal sebagai hukum radiasi termal Kirchhoff, membatasi kemampuan para insinyur untuk memanipulasi panas secara tepat.

Menyiasati hubungan ini telah menjadi area penelitian aktif karena dapat memberikan cara baru untuk mengontrol energi termal. Perangkat yang mampu mengarahkan penyerapan dan emisi secara independen dapat meningkatkan berbagai teknologi, termasuk pendinginan radiatif, sistem termofotovoltaik yang mengubah panas menjadi listrik, serta komunikasi termal.

Para peneliti telah mengeksplorasi beberapa cara untuk mencapai hal ini dengan mematahkan resiprositas Lorentz, prinsip fisika yang menghubungkan gelombang elektromagnetik yang masuk dan keluar. Sebagian besar pendekatan sebelumnya mengandalkan material magneto-optik, semimetal Weyl magnetik, atau metasurface yang dimodulasi secara aktif.

Namun, desain-desain tersebut umumnya menghadapi dua masalah utama. Pertama, mereka membutuhkan cahaya untuk mengenai permukaan pada sudut yang sangat miring untuk menghasilkan perilaku directional yang kuat. Kedua, banyak desain yang bersifat volatil, di mana perilakunya menghilang begitu medan magnet atau sinyal listrik yang mengendalikannya dihilangkan.

Tim dari Osaka Metropolitan University mengatasi kedua keterbatasan tersebut dengan menggabungkan dua material yang memiliki peran komplementer. Material pertama adalah indium arsenide (InAs), semikonduktor magneto-optik yang interaksinya dengan cahaya inframerah berubah di hadapan medan magnet.

Material kedua adalah GST, material pengubah fase yang dapat beralih secara reversibel antara keadaan amorf dan kristalin. Material ini secara dramatis mengubah sifat optiknya sambil mempertahankan keadaan apa pun yang dituliskan ke dalamnya, bahkan setelah daya dimatikan.

Para peneliti mempolakan GST menjadi kisi mikroskopis di atas lapisan InAs, membentuk apa yang mereka deskripsikan sebagai magneto-optical metagrating. InAs menyediakan kontrol directional yang diperlukan untuk memisahkan penyerapan panas dari emisi panas, sementara lapisan GST bertindak sebagai sakelar non-volatil yang menyimpan mode operasi perangkat.

Penerapan medan magnet menyetel bagaimana radiasi inframerah berinteraksi dengan struktur, sementara mengubah fase GST secara permanen mengubah perilaku tersebut hingga sengaja ditulis ulang. Dengan kata lain, perangkat dapat diprogram untuk memancarkan panas secara berbeda dan mempertahankan konfigurasi tersebut tanpa memerlukan energi terus-menerus.

Menurut para peneliti, prototipe tersebut mencapai faktor nonresiprositas mendekati 0,9 sambil beroperasi pada sudut datang hanya tiga derajat. Angka ini jauh lebih mendekati insiden normal dibandingkan sudut curam yang biasanya diperlukan oleh desain sebelumnya.

Sistem ini juga mendukung penyetelan berkelanjutan melalui perubahan medan magnet atau sudut datang, serta pengaturan on-off digital melalui transisi fase GST. Tim juga menganalisis mengapa efek nonresiprokal melemah ketika GST berubah keadaan, menyimpulkan bahwa pengurangan tersebut disebabkan oleh kombinasi redistribusi medan optik dan peningkatan redaman.

Meskipun teknologi ini masih merupakan demonstrasi riset tahap awal, kemampuan untuk memprogram radiasi termal pada akhirnya bisa menjadi sangat berharga dalam perangkat keras komputasi. Seiring prosesor terus memadatkan lebih banyak transistor, chiplet, dan komponen fotonik ke dalam kemasan yang semakin ringkas, manajemen panas menjadi tantangan yang semakin krusial.

Metasurface termal di masa depan dapat memberikan alat lain bagi para insinyur untuk mengarahkan panas menjauh dari titik panas, mengurangi interferensi termal antar chiplet yang bertetangga, atau menstabilkan perangkat fotonik silikon yang karakteristik optiknya bergeser seiring suhu.

Para peneliti juga membayangkan aplikasi dalam pendinginan radiatif, konversi energi termofotovoltaik, pemancar inframerah, sistem komunikasi termal, dan teknologi memori fotonik. Namun, untuk saat ini, karya ini masih merupakan demonstrasi laboratorium dan bukan teknologi yang siap diterapkan.

Tantangan teknik yang cukup besar masih harus diatasi sebelum pemancar termal yang dapat diprogram ini dapat digunakan dalam elektronik komersial. Studi ini menunjukkan bahwa kontrol radiasi termal yang presisi dan non-volatil bukan lagi sekadar konsep teoretis.

Perangkat ini membuka jalan bagi sistem manajemen termal yang lebih cerdas di masa depan, terutama untuk perangkat semikonduktor dan fotonik yang sangat sensitif terhadap fluktuasi suhu. Inovasi serupa di bidang material canggih terus bermunculan, seperti studi yang menunjukkan AI tertipu penyakit fiktif yang menjadi pengingat akan pentingnya validasi data.

Kemajuan dalam teknologi manajemen termal seperti ini sangat penting seiring dengan meningkatnya kepadatan daya pada chip modern. Dengan kemampuan menyimpan konfigurasi tanpa daya, perangkat ini menawarkan efisiensi energi yang lebih baik dibandingkan solusi konvensional.