Dalam Majalah 1000guru Edisi April 2019, single-molecular magnet (SMM) pernah dibahas secara ringkas. Meskipun SMM memiliki potensi yang banyak, kita masih belum dipelajari mengenai kemagnetan dan sintesisnya. Selain itu, ada hal mendasar yang harus dipahami terlebih dahulu, yakni segi kimia kuantumnya. Mengapa segi kimia kuantum penting dan mungkin bisa dibilang “mau tak mau” harus dipelajari serta dipahami? Karena dari situlah tingkat energi elektron dapat dihitung dan sifat-sifat senyawa SMM dapat dianalisis. Salah satu konsep dasar yang perlu diketahui adalah efek terobosan kuantum.
Terobosan kuantum (quantum tunneling) berdasar pada konsep bahwa partikel kuantum (dalam hal ini elektron) memiliki sifat dualisme, yaitu bersifat sebagai gelombang sekaligus partikel. Sifat gelombang elektron ini dirumuskan dalam besaran matematis yang disebut fungsi gelombang (wave function). Oleh fisikawan Jerman Erwin Schroedinger, persamaan fungsi gelombang ini dituliskan sebagai:
\displaystyle \frac{-\hbar^2}{2m} \frac{d^2 \psi}{dx^2} + V(x) \psi = E \psi .
dengan V(x) adalah energi potensial partikel pada sembarang posisi pada x. Karena energi total E adalah jumlahan dari energi potensial dan energi kinetik, suku (-\hbar^2/2m)(d^2\psi/dx^2) dapat diasosiasikan sebagai unsur energi kinetiknya. Adapun ħ yang dibaca sebagai “h-bar” adalah modifikasi dari konstanta Planck h dengan ħ = h/2π = 1,054 × 10-34 J s. Perlu diingat, persamaan di atas tidak bergantung pada variabel waktu.
Saat partikel berada di dalam suatu kotak dengan x berada di antara dari 0 hingga L seperti pada gambar, energi potensialnya bernilai 0. Namun, ketika partikel tepat berada di x = 0 atau x= 0, secara drastis energinya menjadi tak berhingga. Potensial tak berhingga itu layaknya suatu dinding yang menghalangi partikel keluar dari kotak. Karena energi potensial partikel (V) sama dengan 0 ketika berada di dalam kotak, energi total E hanya berasal dari energi kinetiknya. Energi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
Menariknya, jika energi potensial partikel kurang dari tak berhingga ketika mencapai dinding di atas dan E < V, ternyata fungsi gelombangnya tidak akan berubah menjadi nol. Partikel tetap dapat merambat seperti gelombang di luar dinding. Bagaimana itu mungkin terjadi mengingat berdasarkan mekanika klasik partikel menembus dinding tidak akan terjadi karena energinya yang lebih kecil?
Penerobosan terjadi jika dinding kotak cukup tipis untuk ditembus sehingga energi potensial partikel akan berkurang hingga nol setelah menempuh jarak tertentu dan merambat di dalam dinding serta mengalami perubahan perlahan-lahan pada amplitudonya. Selanjutnya, partikel akan melakukan melaju kembali di seberang dinding yang sudah dilaluinya. Bocoran dengan cara penembusan terhadap wilayah yang terlang secara mekanika klasik inilah yang disebut efek terobosan kuantum.
Bagaimana dengan terobosan kuantum di dalam SMM? Di dalam SMM, apa yang kita bicarakan sebagai “dinding” dalam paragraf di atas adalah “dinding” puncak kurva energi potensial sumur ganda. Hanya saja, efek terobosan kuantum dalam SMM sesungguhnya merupakan perkara yang masih diteliti oleh para ilmuwan. Terobosan kuantum pertama kali ditemukan pada senyawa [Mn12O12(O2CCH3)16(H2O)4]·4H2O·2CH3CO2H atau bisa disingkat Mn12ac dengan nilai bilangan kuantum spin S sebesar 10.
Bagaimana efek terobosan kuantum ini ditemukan pada senyawa Mn12ac? Caranya adalah dengan menggunakan kurva magnetisasi senyawa tersebut. Dapat kita lihat pada kurva magnetisasi ada histerisis kurva dengan bentuk yang tidak halus, yakni berundak. Bentuk berundak ini menandakan adanya perubahan laju magnetisasi ketika pertemuan tingkatan energi dari satu sisi sumur energi bertemu dengan sumur energi yang lain.
Tinjau persamaan H = DSz2 + E(Sx2 – S y2) + gμBμ0S•H. Ketika medan magnet luar H diberikan kepada sampel senyawa SMM sepanjang sumbu-z, tingkat energi dengan S < 0 akan beringsut ke atas sedangkan tingkatan dengan S > 0 akan beringsut ke bawah. Tingkatan energi dari S positif dan S negatif akan bersilangan di titik atau posisi saat H sama dengan 0. Pada situasi tersebut, efek terobosan kuantum terjadi ditandai dengan bentuk undakan pada kurva magnetisasi akibat adanya perubahan signifikan laju relaksasi magnetisasi.
Sepengetahuan penulis, efek terobosan kuantum tidak mencakup bagaimana magnetisasi dan relaksasi magnet dapat terjadi dengan bantuan suhu/temperatur maupun partikel cahaya bernama foton, suatu objek studi tersendiri yang perlu didiskusikan lebih lanjut. Meskipun begitu, terobosan kuantum tetap masih menjadi topik kajian yang melibatkan banyak pendekatan, khususnya kimia dan fisika kuantum, serta terbuka terhadap berbagai penelitian lebih lanjut.
Bahan bacaan:
- Atkins P.W., de Paula P., Atkins’ Physical Chemistry, 2006, 8th edition, Oxford University Press.
- Christou G., Gatteschi, D., Hendrickson, D. N., Sessoli, R. MRS Bulletin, 2000, 25, 66–71.
- Bolgani L., Wernsdorfer W., Mater., 2008, 7, 179-186
Penulis:
Langit Cahya Adi, Mahasiswa S-3 di Departemen Kimia, Osaka University.
Kontak: langit.cahyadi(at)gmail.com
