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

Penyimpanan Data yang Tak Kasatmata

Dewasa ini, menyimpan sebuah informasi merupakan suatu hal yang mudah, dan bahkan tidak sedikit yang menyediakannya secara gratis. Contohnya adalah cloud storage, sistem penyimpanan data berbasis online, hal yang tentu tak asing lagi bagi kita dengan hadirnya Google Drive dan Dropbox. Teknologi tersebut memungkinkan kita untuk menyimpan data secara gratis hingga mencapai beberapa gigabytes. Selain itu, pengguna juga dapat memanfaatkan jasa tersebut untuk berbagi data dengan sesama pengguna dan hanya bermodalkan koneksi internet.

Di era teknologi informasi, teknologi penyimpanan data menjadi salah satu topik hangat yang diperbincangkan oleh para ilmuwan, khususnya teknologi material yang mampu menyimpan banyak data dalam volume yang sekecil mungkin. Spintronics (spin transport electronics) adalah bidang yang menjadikan spin elektron sebagai media untuk mengontrol karakter magnetis dari material. Ini merupakan salah satu bidang yang berkaitan erat dengan sistem penyimpanan data.

Spin yang merupakan karakter intrinsik lain dari elektron selain muatan, mempunyai momen magnet yang menentukan sifat magnet. Spin elektron dibedakan menjadi dua, yang dinotasikan dengan panah ke atas atau ke bawah. Spin up(+1/2) memiliki arah panah ke atas, sedangkan spin down(-1/2) memiliki arah panah ke bawah. Dua keadaan ini dapat dianalogikan sebagai bilangan biner 0 dan 1, yang kemudian digunakan sebagai media penyimpanan data sehingga penggunaan spin memungkinkan penyimpanan data yang jauh lebih banyak.

Jika dibandingkan dengan mayoritas media penyimpanan data elektronik yang ada saat ini, penggunaan spin membutuhkan energi yang lebih sedikit. Sementara itu, hard disk drive maupun RAM (Random Access Memory) yang merupakan mayoritas media data penyimpanan pada perangkat elektronik membutuhkan medan magnet atau medan listrik untuk membaca maupun menulis data sehingga dibutuhkan energi yang jauh lebih banyak.

Janji manis yang ditawarkan spin memang tidak luput dari kelemahannya yang masih sulit untuk dikomersialkan dalam tahun-tahun mendatang. Untuk mengontrol spin diperlukan alat eksperimen canggih yang bertugas mendinginkan material sehingga meminimalkan interaksi antarspin yang bisa mengacaukan data. Selain itu, salah satu kelemahan dari spin adalah kerentanan untuk kehilangan arah karena adanya gangguan dari luar.

Pada majalah jurnal Nature Edisi 9 Maret 2017,  peneliti dari IBM Amerika melaporkan mekanisme yang dapat mengarahkan spin, membaca, dan menuliskan arah tersebut dengan menggunakan satu atom saja. Dengan kata lain, kita dapat memasukkan informasi 1 bit (0 atau 1 dalam satu waktu), membaca informasi yang terkandung, dan menuliskannya ke media lain. Temuan ini merupakan kemajuan dari kebutuhan 3-8 atom untuk 1 bit dan menunjukan bahwa penyimpanan data dalam satu atom (limit terkecil) adalah sesuatu yang mungkin untuk dilakukan.

Peneliti tersebut menggunakan Holmium, elemen Lantanida yang stabil pada kedua kondisi spin, atas maupun bawah. Cara kerjanya adalah dengan meletakkan atom di atas permukaan magnesium oksida untuk menghasilkan energi yang mampu menghambat spin berubah arah. Spin dikontrol dan dideteksi dengan Scanning Tunneling Microscope (STM), instrumen yang dapat memvisualisasikan atom secara tepat serta mampu mengalirkan arus listrik menggunakan ujung jarum yang tipis dan tajam. Antara ujung jarum dan atom diberikan beda potensial sehingga elektron di atom akan “terobek” atau terambil menuju ujung jarum, dan elektron akan kembali ke asalnya. Arus listrik yang dihasilkan elektron kemudian direkam.

Pada eksperimen Holmium ini, modifikasi alat STM dilakukan dengan melapisi ujung tipis dari jarum menggunakan material magnetik sehingga hanya elektron yang memiliki kemagnetan yang selaras dengan kemagnetan ujung jarum saja yang dapat terambil. Seperti contoh dari efek tunnel magnetoresistance, ketika dua material magnetik dipisahkan dengan insulator yang sangat tipis, elektron dapat berpindah dari satu material ke material berikutnya. Para peneliti juga menggunakan atom besi sebagai sensor untuk membuktikan perubahan kondisi yang disebabkan oleh spin, berdasarkan pada interaksi Holmium dan besi dalam kedua kondisi spin Holmium.

Skema eksperimen penyimpanan data dengan satu atom satu bit. Sumber: Nature 543, 226–228 (2017).

Walaupun masih banyak tantangan yang harus dihadapi untuk merealisasikan teknologi spin dalam kehidupan sehari-hari, penggunaan spin untuk hal lainnya juga sama menariknya. Sebagai contoh, teknologi komputasi kuantum (quantum computing) memanfaatkan karakter spin yang unik (superposisi) sehingga dalam satu waktu sebuah spin dapat merepresentasikan dua nilai sekaligus, berbeda dengan bilangan biner yang hanya mampu merepresentasikan satu nilai saja (0 atau 1). Dengan demikian, efisiensi dalam dunia komputasi diharapkan akan meningkat drastis. Komputasi kuantum dianggap sebagai kalkulator masa depan dan untuk mendampingi teknologi ini diperlukan media penyimpan data yang mampu mengolah hasil komputasi dengan lebih cepat dan efisien.

Selain pemakaian spin seperti yang sudah dijelaskan, pada jurnal Nature Nanotechnology Edisi April 2016, peneliti dari Delft University of Technology melaporkan hasil penelitiannya terkait teknologi penyimpan oleh spin dengan menggunakan STM. Dalam eksperimen tersebut, atom klorin digunakan untuk menutupi permukaan tembaga sehingga dapat memanfaatkan kekosongan ruang pada atom klorin secara alami dan berkala untuk melakukan kodifikasi sebuah informasi.

Kodifikasi informasi dalam bilangan biner yang digunakan peneliti dari Delft University of Technology. Hitam menandakan kekosongan atom klorin. Pengubahan bilangan biner menjadi alfabet mengikuti ketentuan ASCII. Sumber: Nature Nanotechnology 11, 926–929 (2016).

Gambar (a) menunjukkan atom klorin dipindahkan satu-satu untuk membuat kekosongan yang teratur untuk dijadikan platform informasi. Satu blok seperti pada gambar berisi 8 bit. (b) Contoh blok data yang sudah dimasukan informasi. (c) Ukuran 1 blok sangatlah kecil. Sumber: Nature Nanotechnology 11, 926–929 (2016).

Pada gambar dijelaskan bahwa informasi 8 bit dapat disimpan pada area yang relatif kecil berskala nanometer. Peneliti dari TU Delft melaporkan keberhasilan mereka menyimpan data sebanyak 1 kilobytes dengan metode ini. Apabila struktur material dua dimensi yang digunakan dapat ditranslasikan menjadi tiga dimensi, mereka optimis mampu menyimpan seluruh data US Library of Congress hanya dalam kubus berdimensi 15 mikrometer. Namun, untuk membaca informasi dan memasukkan data baru dibutuhkan waktu sekitar 1 hingga 2 menit untuk masing-masing blok. Bukan waktu yang singkat mengingat penggunaan STM memerlukan temperatur yang sangat rendah, yaitu -196,15OC. Masalah kecepatan pemrosesan informasi ini diharapkan dapat dipecahkan dengan menggunakan alat STM yang lebih canggih.

Perpektif lain yang tidak kalah kreatif dalam penyimpanan data adalah dengan menggunakan DNA (Erlich dkk., Science, 2017). Para peneliti menjabarkan metode yang dapat merangkum 215 petabytes atau 215 juta gigabytes dalam 1 gram DNA. Keuntungan menggunakan DNA adalah karakteristiknya yang tahan lama serta mampu menyimpan lebih banyak informasi karena merupakan material tiga dimensi jika dibandingkan dengan hard disk drive komersial yang hanya dua dimensi. Sayangnya, saat ini DNA belum mampu bersaing karena secara ekonomis teknologi ini masih tergolong sangat mahal dan dibutuhkan waktu yang cukup lama untuk melakukan proses penyimpanan data.

Akhir kata, penyimpanan data merupakan salah satu aspek penelitian sains dan teknologi yang tak hentinya memicu para ilmuwan untuk berkreasi. Butuh imajinasi yang kuat untuk merealisasikan media penyimpanan data dengan kerapatan tinggi dan layak untuk dikomersialisasikan karena banyak sekali pendekatan yang dapat diterapkan untuk mendorong teknologi penyimpanan data menuju limit, baik itu pendekatan melalui fisika, kimia, ataupun biologi. Bagi teman-teman yang tertantang mengombinasikan banyak bidang ilmu serta menambahkan bumbu kreativitas, keterlibatan kita dalam pengembangan teknologi penyimpanan data dapat menjadi hal yang mengasyikkan.

Bahan bacaan:

Penulis:
Kinanti Hantiyana Aliyah, mahasiswa program Advanced Molecular Chemistry, Tohoku University, Jepang.