Mdigital
Secara umum pengertian metamaterial adalah material yang direkayasa untuk memiliki elemen yang tidak ditemukan pada material yang terjadi secara alami. Material tersebut terbuat dari rakitan beberapa elemen yang dibuat dari bahan komposit seperti logam dan plastik.
Artikel fisika ini ditulis oleh Aunuddin Syabba Vioktalamo, saat menjadi mahasiswa S3 bidang fisika material optik di Tohoku University, Jepang dengan judul “Berkenalan dengan metamaterial” yang dimuat di majalah 1000guru.
“Apakah kamu pernah dengar tentang metamaterial?” Itu adalah pertanyaan profesor pembimbing saya pada hari pertama ketika saya menginjakkan kaki di Tohoku university. Beberapa waktu kemudian, saya mulai mendalami metamaterial. Di artikel ini saya akan jelaskan secara singkat tentangnya.
Sejarah Metamaterial
Semua berawal dari sebuah paper (artikel ilmiah) yang ditulis ilmuwan asal Rusia bernama Victor Veselago pada tahun 1968. Dalam tulisannya Veselago secara teoretik menjelaskan sebuah konsep, “Apa yang terjadi jika kita mempunyai sebuah material yang mempunyai indeks bias yang bernilai negatif?”
Secara teori, nilai negatif indeks bias bisa didapat jika kita mempunyai material dengan konstanta dielektrik (konstanta yang mengukur derajat polarisasi muatan listrik bila sebuah material dimasukkan medan listrik) dan permeabilitas magnetik (konstanta yang mengukur derajat magnetisasi sebuah benda bila di celupkan di medan magnet) yang secara bersamaan bernilai negatif.
Banyak spekulasi yang disampaikan Veselago di tulisan tersebut yang bertentangan dengan konsep-konsep dasar fisika. Beberapa ilmuwan menganggap tulisan Veselago hanya isapan jempol, secara teori mungkin bisa diterima, tapi apakah material tersebut benar tersedia di alam.
Orang-orang pun melupakan artikel ilmiah Veselago tersebut. Tetapi 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.
Di 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.
Saat ini, sudah 11 tahun sejak eksperimen pertama tentang metamaterial, beberapa struktur pun ditawarkan untuk mendapatkan sifat yang menarik di cahaya tampak.
Teori dasar Perambatan gelombang elektromagnetik bisa dijelaskan dari hukum Maxwell. Hubungan dispersi antara frekuensi w dan bilangan gelombang k dapat dituliskan sebagai berikut,
n adalah indeks bias, ε adalah konstanta dielektrik, dan μ adalah permeabilitas magnetik. Dari persamaan tersebut, konstanta dielektrik (ε) dan permeabilitas magnetik (μ) secara bersamaan harus bernilai posistif semua atau negatif semua.
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.
Keterangan: Pembiasan material dari udara ke material yang mempunyai indeks bias positif (kiri). Pembiasan material dari udara ke material yang mempunya indeks bias negatif (kanan)
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 dengan gelombang 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 kreativitas dan imajinasi yang menjadi batasannya.
Semoga bermanfaat!!
Bahan bacaan
- http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100422153939.htm
- http://nextbigfuture.com/2011/01/introductory-summary-of-invisibility.html
- http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/3537161.stm
Pengertian Metamaterial dan Aplikasinya
