Fisikawan Mengukur Bagaimana Elektron dalam Logam Golongan Transisi Terdistribusi Kembali Dalam Fraksi Siklus Osilasi Optik

Peneliti-peneliti di Jurusan Fisika ETH Zurich telah melakukan pengukuran tentang bagaimana elektron dalam sebuah logam golongan transisi dapat didistribusikan kembali dalam fraksi dari siklus osilasi optik. Mereka mengamati elektron terkonsentrasi di sekitar atom logam kurang dari satu femtosecond (10^-15). Peristiwa tersebut dapat mempengaruhi sifat makroskopik yang penting dalam suatu senyawa seperti konduktivitas listrik, magnetisasi atau karakteristik optik. Oleh karena itu, dalam riset tersebut diperlukan proses pengendalian properti dalam skala watu yang sangat cepat. 

Distribusi elektron dalam logam transisi, yang mewakili sebagian besar tabel periodik unsur kimia, memiliki banyak sifat menarik yang digunakan dalam berbagai aplikasi. Sifat magnetik dari beberapa unsur yang terdapat pada golongan transisi ini, misalnya, dieksploitasi untuk penyimpanan data, sedangkan sifat lainnya yaitu menunjukkan konduktivitas listrik yang sangat baik. Logam transisi juga memiliki peran yang menentukan material berperilaku lebih eksotis (luar biasa) yang dihasilkan dari interaksi kuat antar elektron. Material seperti itu adalah kandidat yang menjanjikan untuk berbagai aplikasi masa depan.

Dalam eksperimen yang dilaporkan hari ini di Nature Physics oleh Mikhail Volkov dan rekan-rekannya di dalam grup riset Ultrafast Laser Physics Prof Ursula Keller menunjukkan foil tipis dari logam transisi titanium dan zirkonium pada pulsa energi laser yang pendek. Mereka mengamati redistribusi elektron dengan merekam perubahan yang dihasilkan pada sifat-sifat optik logam dalam pengaruh extreme Ultraviolet (ultraviolet ekstrim) (XUV). Agar dapat mengikuti perubahan yang diinduksi dengan resolusi temporal yang cukup, maka pulsa XUV yang hanya berdurasi beberapa ratus attoseconds (10 ^ -18 detik) digunakan dalam pengukuran. Dengan membandingkan hasil eksperimen dengan model teoritis yang dikembangkan oleh kelompok Prof Angel Rubio di Institut Max Planck pada Struktur dan Dinamika Materi di Hamburg, para peneliti menetapkan bahwa perubahan berlangsung dalam waktu kurang dari satu femtosecond hal ini disebabkan oleh modifikasi lokalisasi elektron di sekitar atom logam. Teori ini juga memprediksi bahwa dalam logam transisi terdapat kulit elektron terluar yang lebih kuat, gerakannya berlawanan yakni proses delokalisasi elektron diharapkan terjadi. 
Fisikawan Mengukur Bagaimana Elektron dalam Logam Golongan Transisi Terdistribusi Kembali Dalam Fraksi Siklus Osilasi Optik
Ilustrasi pengaturan dan interaksi pulsa laser pendek (garis berosilasi merah) dengan kisi atom titanium (tengah, bagian bawah gambar). Struktur merah dan biru mewakili redistribusi kerapatan elektron di sekitar atom titanium. Tampilan dekat dari perubahan kepadatan ini ditampilkan di kanan bawah. Kredit: Kelompok Fisika Laser Ultrafast ETH Zurich / D-PHYS 

Pengendalian sifat material yang sangat cepat 
Distribusi elektron mendefinisikan medan listrik mikroskopis di dalam suatu bahan, tidak hanya menahan bentuk padatan bersama, tetapi juga sebagian besar untuk menentukan sifat makroskopik yang dimilikinya. Dengan mengubah distribusi elektron maka dapat mempengaruhi karakteristik dari suatu material. Percobaan Volkov dkk, menunjukkan bahwa kemungkinan adanya skala waktu yang jauh lebih pendek daripada siklus osilasi cahaya tampak (sekitar dua femtosekon). Yang terpenting adalah temuan bahwa skala waktu yang lebih pendek daripada waktu yang disebut termalisasi, yakni waktu dimana elektron akan menghilangkan efek kontrol eksternal dari distribusi elektron melalui tumbukan antar elektron tersebut dan dengan kisi kristal. 

Kejutan awal 
Awalnya, hal yang mengejutkan adalah bahwa pulsa laser akan menyebabkan peningkatan lokalisasi elektron pada titanium dan zirkonium. Kecenderungan umum yang terjadi di alam adalah jika elektron terikat dan diberi lebih banyak energi, maka mereka akan kurang terlokalisasi. Analisis teoritis yang mendukung pengamatan eksperimental, menunjukkan bahwa peningkatan lokalisasi kerapatan elektron adalah efek yang dihasilkan dari pengisian kuat pada orbital d dari atom-atom logam transisi. Untuk logam transisi yang mempunyai orbital d yang sudah terisi lebih dari setengahnya (yaitu, elemen bagian kanan dalam tabel periodik), efeknya adalah untuk kebalikannya sendiri dan berhubungan dengan delokalisasi kerapatan elektron. 

Menuju komponen elektronik yang lebih cepat 
Sementara hasil yang diperoleh saat ini dilaporkan bersifat fundamental, eksperimen menunjukkan adanya kemungkunan memodifikasi sifat material yag sangat cepat. Modulasi seperti itu digunakan dalam elektronik dan opto-elektronik untuk memproses sinyal elektronik atau transmisi data. Komponen elektronik saat ini memproses aliran sinyal dengan frekuensi dalam rentang gigahertz (10 ^ 9 Hz), sementara hasil Volkov dan rekan kerja menunjukkan kemungkinan pemrosesan sinyal pada frekuensi petahertz (10 ^ 15 Hz). Oleh karena itu, penemuan ini memberikan kita informasi bahwa perkembangan komponen elektronik generasi berikutnya akan lebih cepat dari generasi sebelumnya. 

Jurnal Referensi: 
Volkov M, Sato SA, Schlaepfer F, Kasmi L, Hartmann N, Lucchini M, Gallmann L, Rubio A, Keller U. Attosecond screening dynamics mediated by electron localization in transition metals. Nature Physics, 2019 DOI: 10.1038/s41567-019-0602-9