Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Berkenalan dengan Metamaterial

“Metamaterial? Makhluk apa lagi ini? Apakah ada hubungannya dengan metafisika?”

Mungkin pertanyaan seperti itu yang terbayang di benak kita begitu mendengar istilah “metamaterial”. Mari kita cari tahu jawabannya.

Awal mula

Semua berawal dari sebuah paper (artikel ilmiah) yang ditulis ilmuwan asal Rusia bernama Victor Veselago pada tahun 1968. Dalam tulisannya, Veselago mencoba menjawab pertanyaan:

“Apa yang terjadi jika kita memiliki sebuah material yang mempunyai indeks bias yang bernilai negatif?”

Secara teoretis, nilai negatif indeks bias bisa didapat jika kita mempunyai material dengan konstanta dielektrik dan permeabilitas magnetik yang secara bersamaan bernilai negatif. Konstanta dielektrik adalah konstanta yang mengukur derajat polarisasi muatan listrik bila sebuah material dimasukkan medan listrik, sedangkan permeabilitas magnetik adalah konstanta yang mengukur derajat magnetisasi sebuah benda bila dipengaruhi dalam suatu medan magnet. Banyak spekulasi yang disampaikan Veselago di tulisan tersebut yang bertentangan dengan konsep-konsep dasar fisika. Beberapa ilmuwan menganggap tulisan Veselago hanya isapan jempol. Mungkin saja benar secara teoretis, tetapi tidak diketahui apakah material tersebut bisa tersedia di alam.

Orang-orang pun melupakan artikel ilmiah Veselago tersebut. Namun, 30 tahun setelah Veselago, pada 1998, seorang fisikawan teori asal Inggris bernama John Pendry menawarkan sebuah konsep material yang mempunyai indeks bias negatif dengan memodifikasi struktur material tersebut. Pendry menawarkan kombinasi kawat logam dan struktur split ring untuk membuat metamaterial. Penggunaan kawat logam adalah untuk membuat konstanta dielektriknya menjadi negatif sedangkan split ring resonator untuk membuat permeabilitas yang bernilai negatif.

Hanya dalam tempo dua tahun saja, pada tahun 2000, David Smith dari University of California, San Diego, untuk pertama kalinya berhasil melakukan eksperimen membuat metamaterial berdasarkan teori yang diajukan oleh Pendry. Metamaterial ini bekerja di zona gelombang mikro, yaitu gelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya berkisar antara 1 meter sampai 1 milimeter. Kini, sudah belasan tahun sejak eksperimen pertama tentang metamaterial, beberapa struktur pun ditawarkan untuk mendapatkan sifat yang menarik pada rentang cahaya tampak.

Konsep dasar

Perambatan gelombang elektromagnetik bisa dijelaskan dari hukum Maxwell. Hubungan dispersi antara frekuensi  dan bilangan gelombang  dapat dituliskan sebagai berikut,

 \displaystyle \left(\frac{c k}{\omega} \right)^2 = \epsilon \mu = n^2,

n adalah indeks bias, ε adalah konstanta dielektrik, dan μ adalah permeabilitas magnetik. Agar persamaan tersebut terpenuhi, konstanta dielektrik (ε) dan permeabilitas magnetik (μ) secara bersamaan harus bernilai positif semuanya atau negatif semuanya. Untuk material yang ada di alam, nilai ε dan μ bernilai positif semua, sedangkan metamaterial mempunyai ε dan μ yg bernilai negatif.  Dengan demikian, pembiasan pada metamaterial berlawanan dengan arah pembiasan pada material biasa.

Pembiasan material dari udara ke material yang mempunyai indeks bias positif (kiri). Pembiasan material dari udara ke material yang mempunya indeks bias negatif (kanan).

Pembiasan material dari udara ke material yang mempunyai indeks bias positif (kiri). Pembiasan material dari udara ke material yang mempunyai indeks bias negatif (kanan).

Aplikasi Metamaterial

1.   Perfect lens (lensa sempurna)

Jika kita punya lapisan tipis yang memiliki indeks bias negatif, melalui sifat pembiasannya, penjalaran gelombang dari sumber sampai membentuk bayangan bisa diterangkan dengan bantuan gambar di bawah.

Skema cara kerja perfect lens.

Skema cara kerja perfect lens.

Pemfokusan sinar dengan menggunakan konsep ini mempunyai keunggulan dibandingkan pemfokusan dengan menggunakan lensa-lensa konvensional (lensa biasa). Lensa konvensional mempunyai keterbatasan tidak bisa memfokuskan cahaya melebihi 0,6λ. Di sini λ adalah panjang gelombang cahaya yang melalui lensa. Keterbatasan resolusi ini dikenal sebagai Rayleigh limit. Dengan menggunakan metamaterial kita bisa memfokuskan lebih detail tanpa batasan tersebut. Sebagai ilustrasi, perekaman data di DVD biasa menggunakan laser hanya sanggup menyimpan 1 film (sekitar 4 GB). Jika kita menggunakan perfect lens, kita bisa menyimpan sampai 1000 film dalam 1 DVD.

2.   Jubah Harry Potter (invisible cloaking)

Dalam film Harry Potter, kita bisa melihat Harry bisa menghilang ketika menggunakan sebuah jubah yang diberikan Dumbledore. Jubah itu sebenarnya kepunyaan ayah Harry. Namun, bukan asal-usul jubah itu yang akan dibahas, melainkan apakah mungkin dari sudut pandang fisika kita bisa membuat jubah yang membuat orang tampak menghilang? Jawabannya, “Ya!” Hal tersebut bisa dilakukan jika kita mampu melokalisasi resonansi medan listrik dan magnetik dengan menggunakan metamaterial. Eksperimen ini sudah dilakukan dengan gelombang mikro pada tahun 2006. Saat ini ilmuwan sedang menyiapkan desain untuk invisible cloaking pada rentang cahaya tampak.

Invisible cloaking. Cahaya dari sumber diteruskan melalui permukaan metamaterial.

Invisible cloaking. Cahaya dari sumber diteruskan melalui permukaan metamaterial.

***

Nah, kita sudah melihat sedikit aplikasi metamaterial. Sebetulnya masih banyak aplikasi dari metamaterial dengan sifat elektromagnetik yang unik. Hanya kreativitas dan imajinasi yang menjadi batasannya. Tentu kita pun sekarang sudah mengerti bahwa metamaterial tidak ada hubungannya sama sekali dengan metafisika. Seorang profesor kolega penulis pernah mengungkapkan, “Metafisika itu mistis. Walaupun ada fisika, ia tidaklah ilmiah.”

Bahan bacaan:

Penulis:
Aunuddin Syabba Vioktalamo, pegawai PT. NOK Indonesia, serta alumnus Tohoku University, Jepang, dengan bidang penelitian fisika material optik. Kontak: aunuddin.s.v(at)gmail(dot)com.