Berkenalan dengan Metamaterial

“Apakah kamu pernah dengar tentang metamaterial?”

Itu adalah pertanyaan profesor pembimbing saya pada hari pertama ketika sayamenginjakkan kaki di Tohoku university beberapa tahun silam.

“Saya belum pernah dengar, apakah ada hubungannya dengan metafisika?” Jawabsaya waktu itu.

Professor saya tertawa mendengar jawaban saya. Dengan tersenyum dia menjawab,“Metafisika itu mistik, walaupun ada fisika, tapi tidak ilmiah.”

Beberapa waktu kemudian, saya mulai mendalami metamaterial. Di artikel ini sayaakan jelaskan secara singkat tentangnya.

Sejarah

Semua berawal dari sebuah paper (artikel ilmiah) yang ditulis ilmuwan asal Rusiabernama Victor Veselago pada tahun 1968. Dalam tulisannya Veselago secara teoretikmenjelaskan sebuah konsep, “Apa yang terjadi jika kita mempunyai sebuah materialyang mempunyai indeks bias yang bernilai negatif?” Secara teori, nilai negatif indeksbias bisa didapat jika kita mempunyai material dengan konstanta dielektrik (konstantayang mengukur derajat polarisasi muatan listrik bila sebuah material dimasukkanmedan listrik) dan permeabilitas magnetik (konstanta yang mengukur derajatmagnetisasi sebuah benda bila di celupkan di medan magnet) yang secara bersamaanbernilai negatif. Banyak spekulasi yang disampaikan Veselago di tulisan tersebut yangbertentangan dengan konsep-konsep dasar fisika. Beberapa ilmuwan menganggaptulisan Veselago hanya isapan jempol, secara teori mungkin bisa diterima, tapi apakahmaterial tersebut benar tersedia di alam.

Orang-orang pun melupakan artikel ilmiah Veselago tersebut. Tetapi 30 tahun setelahVeselago, pada 1998, seorang fisikawan teori asal Inggris bernama John Pendrymenawarkan sebuah konsep material yang mempunyai indeks bias negatif dengandan struktur split ring untuk membuat metamaterial. Penggunaan kawat logam adalahuntuk membuat konstanta dielektriknya menjadi negatif sedangkan split ringresonator untuk membuat permeabilitas yang bernilai negatif.

Di tahun 2000, David Smith dari University of California, San Diego, untuk pertamakalinya berhasil melakukan eksperimen membuat metamaterial berdasarkan teoriyang diajukan oleh Pendry. Metamaterial ini bekerja di zona gelombang mikro, yaitugelombang elektromagnetik yang panjang gelombangnya berkisar antara 1 metersampai 1 milimeter.

Saat ini, sudah 11 tahun sejak ekperimen pertama tentang metamaterial, beberapastruktur pun ditawarkan untuk mendapatkan sifat yang menarik di cahaya tampak.Teori dasarPerambatan gelombang elektromagnetik bisa dijelaskan dari hukum Maxwell. Pembiasanpada metamaterial berlawanan dengan arah pembiasan pada material biasa.

Aplikasi Metamaterial.

1. Perfect lens (lensa sempurna)

Jika kita punya lapisan tipis yang mempunyai indeks bias negatif, melalui sifat pembiasannya, penjalaran gelombang dari sumber sampai membentuk bayangan bisa diterangkan melalui gambar berikut.

Pemfokusan sinar dengan menggunakan konsep ini mempunyai keunggulan dibanding pemfokusan dengan menggunakan lensa-lensa konvensional (lensa biasa). Lensa konvensional mempunyai keterbatasan yaitu tidak bisa memfokuskan melebihi 0.6λ, di mana 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. Bukan asal-usul jubah itu yang akan dibahas, tapi dari sudut pandang fisika apakah mungkin kita bisa membuat jubah yang membuat orang bisa tampak menghilang?

Jawabannya, “IYA!”, jika kita bisa melokalisasi resonansi medan listrik dan magnetik dengan menggunakan metamaterial. Eksperimen ini sudah dilakukan dengangelombang mikro pada tahun 2006. Saat ini ilmuwan sedang menyiapkan desain untuk invisible cloaking di rentang cahaya tampak.

Nah, kita sudah melihat sedikit aplikasi metamaterial. Sebetulnya masih banyak aplikasi dari metamaterial dengan sifat elektromagnetik yang unik. Hanya kreativitasdan imajinasi yang menjadi batasannya.

Penulis

Aunuddin Syabba Vioktalamo, mahasiswa S3 bidang fisika material optik di Tohoku University, Jepang. Kontak: aunuddin.s.v@gmail.com.