Senin, 14 September 2009

fisika oh fisika

1.PENGANTAR
Ilmu fisika (physics), di samping ilmu kimia (chemistry) dan matematika
(mathematics), adalah salah satu ilmu tertua dalam sejarah peradaban
manusia setelah ilmu astronomi (perbintangan). Ilmu fisika mempelajari
tentang struktur dan perilaku dari fenomena/gejala yang ada di jagad raya
(universe) dalam lingkungan ruang dan waktu, yang terdiri dari unsur-unsur
elementer/partikel; mencari hubungan-hubungan sesama fenomena/gejala
alam; serta memanfaatkannya untuk menunjang aktivitas manusia. Dalam
mengungkap rahasia alam ini perlu dilakukan melalui serangkaian proses
seperti pengamatan (observation), pengukuran (measurement), dan
pengembangan teori-teori (theoretical development) secara ilmiah
(sistematis, logis, dan berkelanjutan).
Seiring dengan perkembangan peradaban manusia yang dimulai dari zaman
batu (Age Stone) hingga era teknologi informasi kini, peranan materi sangat
dominan dalam berbagai aspek kehidupan manusia. Sebagai contoh kecil
dapat dilihat dari penggunaan berbagai jenis batuan, logam, kayu, dan lain
sebagainya pada zaman prasejarah hingga penggunaan berbagai jenis
rekayasa materi berskala nanometer dalam bidang teknologi informasi.
Berbagai produk teknologi berbasis material magnetik dan elektronik yang
biasa kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari seperti komputer, internet,
laser, GPS (Global Positioning System), jaringan serat optik pita lebar,
tomografi komputer dan lain sebagainya adalah merupakan produk
teknologi nyata dari kegiatan riset dasar fisika dalam kurun waktu 40-50
tahun terakhir. Laju lompatan yang spektakuler di bidang teknologi
informasi dan komunikasi modern saat ini tidak terlepas dari gencarnya
riset di bidang Fisika Material (Mikroelektronika) seperti penemuan metodemetode
baru dan pembuatan material semikonduktor dengan kemurnian
tinggi, berbagai jenis transistor dengan kinerja tinggi, integrasi komponen
menjadi chip tunggal, laser semikonduktor, media penyimpan data dengan
densitas tinggi, dan lain sebagainya. Dengan kata lain bahwa teknologi
menjadi tenaga penggerak (driving force) dalam perubahan perilaku
manusia dari masyarakat industri menjadi masyarakat berbasis
pengetahuan dan informasi (knowledge and information based society).
Tidak dipungkiri bahwa riset dasar fisika khususnya fisika material telah
banyak memberikan kontribusi nyata dalam kemajuan teknologi suatu
negara yang pada gilirannya akan bermuara pada kemajuan di bidang
ekonomi sekaligus menjadi bangsa yang disegani di kancah internasional.
Dalam tulisan kali ini akan dipaparkan lebih jauh tentang urgensi dan
kontribusi riset dasar fisika dalam revolusi teknologi informasi dan komunikasi yang salah
satu contoh terkini adalah penemuan efek giant
magneto resistance (GMR) dalam proses pembacaan data dalam hard disk
(head read device). Pada bagian akhir pidato ini akan dipaparkan tentang
perhatian sejumlah negara maju terhadap riset dasar fisika, dan berbagai
kendala pada kegiatan riset dasar fisika yang dialami oleh negara
berkembang, seperti Indonesia.
2. PERANAN ILMU FISIKA
Sejak permulaan tahun 1960-an kebutuhan akan komponen elektronik
berkinerja tinggi yang berbasis material semikonduktor naik secara drastis.
Hal ini sesuai dengan prediksi Gordon Moore, seorang pencetus Silicon
Valley (Lembah Silikon), yang dikenal dengan hukum empiris Moore.
Hukum ini menyatakan bahwa kinerja sebuah IC dan komponen elektronik
lainnya mengalami peningkatan dua kali lipat setiap 18-24 bulan pada
harga chip yang sama. Setidaknya hingga 2002, lebih 40 tahun, prediksi
Moore sesuai dengan kenyataan, dan setelah ekstrapolasi hukum ini tidak
berlaku lagi. Kondisi ini tentunya menjadi pemicu bagi ilmuwan fisika untuk
mempelajari, mencari, dan membuat material elektronik bernilai ekonomis
tinggi. Material elektronik yang dimaksud harus memiliki syarat, misalnya
kemurnian yang tinggi dalam orde part per billion (ppb); jumlah cacat
struktur yang sangat rendah, dan memiliki struktur kristal yang sesuai
antara lapis tunggal pada komposit lapis banyak (multilayer) untuk
mengurangi strain. Penemuan efek transistor pada tahun 1947 oleh J.
Barden, W.H. Brattain, dan W.B. Shockley, ketiganya pemenang Hadiah
Nobel bidang Fisika tahun 1956, dianggap sebagai permulaan era
semikonduktor.
Dalam kurun beberapa tahun, transistor berbasis semikonduktor sudah
dapat dibuat untuk menggantikan komponen transistor berbasis tabung
vakum. Lompatan perkembangan teknologi semikonduktor selanjutnya
dibuat oleh G. Teal pada 1954 yang telah memperkenalkan silikon dan
silikon oksida sebagai material transistor, dan dalam fabrikasinya telah
dibuat semakin kecil dan memerlukan hanya sedikit daya (hal sama dibuat
pada semikonduktor berbasis germanium pada 1958). Dengan penemuan
rangkaian terpadu (integrated circuit, IC) telah memungkinkan penyatuan
elemen aktif (transistor, dll) dan elemen pasif (resistor, kapasitor, dll.)
dalam jumlah besar dalam satu chip sekaligus.
Gabungan beberapa komponen elektronika dengan IC merupakan cikal
bakal dari pembuatan prosessor pada chip tunggal (microprocessor). Piranti
baru ini memiliki sejumlah aplikasi yang menjanjikan khususnya dalam
pembuatan komputer pribadi (personal computer). Sejak penemuan
mikroprosessor pada 1970-an ini berarti revolusi industri di bidang
teknologi informasi sudah dimulai, yaitu penggabungan dua teknologi
utama yaitu komputer dan telekomunikasi. Peningkatkan kecepatan
transmisi dan pemrosesan informasi, tentunya, memerlukan sejumlah
komponen mikroelektronik berkinerja tinggi, hemat tempat dan hemat
daya. Berkat perkembangan yang pesat di bidang instrumentasi dan
litografi, berbagai variasi komponen mikroelektronik tersebut telah dibuat
semakin kecil dengan konsumsi daya yang rendah.
Dengan meningkatnya kemampuan dalam pembuatan dan pemrosesan
informasi maka dibutuhkan juga media penyimpan informasi (information
storage media ). Random Access Memory (RAM) dalam sebuah komputer
adalah contoh media penyimpan informasi yang menggunakan transistor di
mana posisi ”ON” dan ”OFF” dari transistor dinyatakan dengan bilangan
biner ”1” dan ”0”. Untuk penyimpanan informasi dalam jumlah besar
banyak digunakan cakram berputar (rotating disk) atau CD optik (compact
disk optic) untuk read- only- memories (ROM). Dewasa ini, prosessor dengan
jutaan transistor telah dibuat secara komersial dengan RAM mendekati
miliar bites per chip berbasis MOS-FET (Metal- Oxide- Semiconductor Field
Effect Transistor).
Penemuan yang tidak kalah pentingnya adalah terjadi pada semikonduktor
heterostruktur yang terdiri dari dua atau lebih lapisan tipis dengan sela pita
energi (energy band gap) yang berbeda. Semikonduktor heterostruktur ini
dibuat dari gabungan kompon GaAs (unsur golongan III-IV dan baris ke-3
dan-4 dalam Tabel Periodik) atau paduan semikonduktor silikon dan
germanium (Si-Ge) bergantung pada aplikasi yang diinginkan (misalnya,
komponen utama pada transistor frekuensi tinggi dan piranti
optoelektronik). Nilai sela pita energi dapat dibuat dengan mengganti
elemen semikonduktor (contohnya Ga dengan In atau Al, As dengan P, Sb
atau N) atau dengan memvariasikan komposisi paduan semikonduktor
silikon-germanium (Si-Ge) melalui beberapa metode seperti Molecular
Beam Epitaxy (MBE), Metallo- Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD).
Pada kedua metode ini, lapisan tipis ditumbuhkan secara epitaksi (lapisan
demi lapisan berskala atom pada sebuah substrat dengan konstanta kisi
yang bersesuaian).
Inovasi material elektronik berbasis heterostruktur terbukti memberi
dampak positif dalam sains dan teknologi dan merupakan kunci utama
dalam transistor frekuensi tinggi dan optoelektronika. Salah satu contoh
nyata adalah bipolar junction transistor tipe npn di mana gain arus
ditentukan oleh perbandingan antara elektron dan hole (lobang), dan
elektron melewati basis dari emiter ke kolektor tanpa rekombinasi. Pada
saat yang sama hole, yang disuntikkan pada emiter dari basis, membatasi
amplifikasi arus.
Penggabungan kompon semikonduktor sebagaimana digunakan pada
heterostruktur dengan teknologi mikroelektronik, optoelektronik dan
gelombang mikro dapat dijumpai pada penerima cahaya kecepatan tinggi
yang memadukan detektor foton heterojunction dengan komponen
elektronika kecepatan tinggi dalam satu chip.
Gambar 1. Beberapa Aplikasi dari Heterojunction Transistor dalam
Spektrum Gelombang Mikro hingga Spektrum Gelombang Milli.
Terobosan terbesar secara komersial adalah pembuatan mobile
phone dengan kisaran frekuensi melebihi 20 GHz (Sumber: The
History and Future of Semiconductor Hetrostructures from the
Point of View of a Russian Scientist11).
Temuan demi temuan telah dihasilkan melalui kegiatan riset dan para
fisikawan tetap merasa tertantang untuk mencari dan membuat inovasi
baru sesuai dengan kebutuhan teknologi. Laser semikonduktor pertama
berhasil dibuat pada 1962 berdasarkan pada prinsip laser/maser
heterojunction. Prinsip ini berawal dari penemuan elektronika kuantum yang
memiliki banyak aplikasi pada printer laser, light emitting dioda laser, CDplayer,
komunikasi serat optik kecepatan tinggi, detektor cahaya, sel surya dan bahkan sumber
daya pada satelit buatan. Tepatnya pada tahun 1962
T.H. Maiman berhasil membuat laser semikonduktor pertama (ruby laser)
walaupun dengan efisiensi yang tidak begitu tinggi. Namun begitu,
beberapa grup riset dan pihak industri elektronika di Amerika melihat
peluang besar atas penemuan laser semikonduktor. Akhirnya sebuah
inovasi baru kembali ditorehkan dengan pembuatan Vertical Cavity Surface
Emitting Laser (VCSEL) di mana cahaya laser dipancarkan dari permukaan
yang tegak lurus terhadap lapisan aktif.

Tidak ada komentar:

Posting Komentar