Sensor Kuantum Baru Dikembangkan di Jepang
SENDAI – Peneliti dari Tohoku University, Jepang, berhasil mengembangkan sensor kuantum yang dapat mendeteksi tegangan pada perangkat mikro atau micro-electromechanical systems (MEMS).
Teknologi ini memanfaatkan pusat nitrogen-vacancy (NV) di dalam berlian kristal tunggal. Menariknya, bagian sensor tidak ditempelkan sebagai komponen tambahan, tetapi dibuat langsung sebagai bagian dari struktur mekanis MEMS.
Pendekatan tersebut dinilai penting karena perangkat MEMS berukuran sangat kecil dan sulit dipasangi sensor konvensional.
Apa Itu MEMS?
MEMS merupakan sistem mekanis dan elektronik berukuran mikro.
Teknologi MEMS sudah digunakan dalam berbagai perangkat, termasuk mikrofon, akselerometer, dan biosensor. Walaupun ukurannya kecil, struktur MEMS tetap dapat mengalami tegangan mekanis yang memengaruhi kinerja, stabilitas, dan keandalannya.
Karena itu, kemampuan memantau tegangan secara langsung menjadi kebutuhan penting.
Namun, memasang sensor terpisah pada struktur sekecil ini bukan pekerjaan mudah.
Di sinilah teknologi sensor kuantum yang dikembangkan Tohoku University menawarkan pendekatan baru.
Sensor Dibuat Menjadi Bagian dari Perangkat
Para peneliti tidak sekadar menambahkan sensor ke MEMS.
Sebaliknya, mereka menjadikan area yang mengandung NV center sebagai bagian dari struktur cantilever MEMS itu sendiri. Dengan cara tersebut, fungsi mekanik dan fungsi penginderaan dapat berada dalam satu perangkat.
Pendekatan ini membuat desain menjadi lebih ringkas.
Selain itu, integrasi tersebut membuka peluang bagi pengembangan perangkat kuantum yang lebih kecil dan lebih terintegrasi.
Mengapa Berlian Bisa Dipakai sebagai Sensor?
Kunci teknologi ini berada pada nitrogen-vacancy center atau NV center.
NV center merupakan cacat pada kisi kristal berlian. Dalam struktur tersebut, satu atom karbon digantikan oleh nitrogen dan berada di dekat posisi kosong pada kisi kristal.
Cacat tersebut memiliki sifat kuantum yang dapat dibaca menggunakan teknik optik. Karena sifat itulah NV center banyak diteliti untuk berbagai aplikasi quantum sensing.
Dalam penelitian Tohoku University, perubahan tegangan pada struktur MEMS menyebabkan perubahan pada karakteristik resonansi NV center.
Perubahan tersebut kemudian dapat digunakan untuk membaca kondisi mekanis perangkat.
Bisa Mendeteksi Tegangan Tarik dan Tekan
Hasil penelitian menunjukkan sensor kuantum tersebut dapat merespons tegangan akibat pembengkokan.
Peneliti mendeteksi perubahan ketika struktur mengalami tegangan tarik (tensile stress) dan tegangan tekan (compressive stress). Respons tersebut terlihat melalui perubahan frekuensi resonansi pada teknik Optically Detected Magnetic Resonance atau ODMR.
Dengan demikian, sensor tidak hanya dapat menunjukkan apakah struktur sedang mengalami tegangan.
Teknologi ini juga dapat membantu mengidentifikasi perubahan kondisi tegangan yang terjadi pada perangkat.
Sensitivitas Mencapai 19,8 MHz/GPa
Salah satu hasil penting dalam penelitian tersebut adalah pengukuran respons dengan sensitivitas sekitar 19,8 MHz/GPa.
Angka tersebut menunjukkan perubahan frekuensi ODMR yang terukur terhadap perubahan tegangan pada struktur MEMS.
Peneliti juga berhasil menangkap perubahan frekuensi yang mengikuti fase getaran cantilever.
Artinya, sistem tidak hanya mendeteksi deformasi statis. Sensor juga mampu memantau tegangan dinamis pada struktur yang sedang bergetar.
Ini Bukan Sekadar Mengukur Kondisi Diam
Kemampuan mendeteksi tegangan dinamis menjadi salah satu bagian paling menarik dari penelitian ini.
Perangkat mikro sering bekerja dalam kondisi bergerak atau bergetar. Karena itu, pengukuran saat struktur beroperasi dapat memberikan informasi yang lebih berguna dibandingkan pemeriksaan ketika perangkat dalam kondisi diam.
Penelitian Tohoku University menunjukkan perubahan sinyal ODMR dapat mengikuti perubahan tegangan selama struktur bergetar.
Dengan kata lain, sensor kuantum tersebut berpotensi digunakan untuk memantau perilaku perangkat secara lebih langsung.
Cara Kerjanya Menggunakan ODMR
Untuk membaca respons NV center, peneliti menggunakan metode Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR).
Dalam metode ini, NV center diberi cahaya dan medan gelombang mikro. Perubahan kondisi spin kemudian dibaca melalui perubahan pada sinyal fluoresensi dan frekuensi resonansinya.
Ketika struktur MEMS mengalami perubahan tegangan, karakteristik resonansi NV center ikut berubah.
Dari perubahan tersebut, peneliti dapat memperoleh informasi mengenai keadaan mekanis perangkat.
Teknologi Lama Punya Kendala di Perangkat Mikro
Salah satu masalah dalam pengukuran MEMS adalah keterbatasan ruang.
MEMS dirancang dalam ukuran yang sangat kecil. Oleh sebab itu, penambahan komponen eksternal dapat mempersulit desain dan proses fabrikasi.
Pendekatan Tohoku University justru mengintegrasikan fungsi sensor ke dalam perangkat sejak tahap fabrikasi.
Karena itu, metode ini berpotensi menghasilkan sistem pengukuran yang lebih sederhana dari sisi integrasi.
Bisa Dipakai untuk Generasi Perangkat Berikutnya
Tohoku University menyebut hasil penelitian ini dapat menjadi dasar untuk mengembangkan perangkat sensor kuantum berlian yang ringkas dan sangat terintegrasi.
Potensinya cukup luas.
Teknologi semacam ini dapat mendukung pemantauan perangkat mikro yang membutuhkan pengukuran tegangan secara akurat. Selain itu, pendekatan tersebut juga dapat digunakan untuk mempelajari hubungan antara deformasi mekanis dan keadaan spin kuantum.
Namun, teknologi ini masih berada dalam tahap pengembangan.
Masih Ada Tantangan Akurasi
Walaupun hasil awalnya menjanjikan, penelitian belum berhenti sampai di sini.
Tim Tohoku University mengatakan mereka ingin terus meningkatkan akurasi sistem sensor tersebut dalam penelitian berikutnya.
Artinya, teknologi ini belum dapat dianggap sebagai produk komersial yang siap digunakan secara luas.
Pengembangan lebih lanjut masih dibutuhkan agar sensor memiliki performa yang stabil dan dapat bekerja dalam berbagai kondisi aplikasi.
Peluang untuk Industri Teknologi
Perkembangan sensor kuantum menjadi semakin menarik seiring meningkatnya kebutuhan terhadap perangkat berukuran kecil.
Industri teknologi terus mengembangkan sensor yang lebih ringkas, hemat ruang, dan memiliki tingkat sensitivitas tinggi.
Karena MEMS sudah digunakan dalam berbagai perangkat, kemampuan memantau kondisi internalnya secara langsung dapat membantu pengembangan sistem yang lebih andal.
Dalam jangka panjang, teknologi tersebut berpotensi mendukung inovasi di bidang sensor, elektronika mikro, dan perangkat kuantum.
Berlian Jadi Material yang Semakin Menarik
Penelitian ini juga menunjukkan bahwa berlian memiliki peran penting dalam teknologi kuantum.
Selain terkenal karena kekerasannya, struktur kristal berlian memungkinkan terbentuknya NV center yang memiliki karakteristik kuantum yang berguna untuk pengukuran.
Karena itu, berlian kini tidak hanya menjadi material untuk perhiasan. Material ini juga semakin banyak dipelajari untuk aplikasi quantum sensing dan teknologi generasi berikutnya.
Penelitian Sudah Masuk Jurnal Ilmiah
Hasil penelitian tersebut telah dipublikasikan dalam jurnal Functional Diamond pada 28 Agustus 2026.
Judul penelitiannya adalah Dynamic Bending Stress Sensing Using NV Centers in a Single-Crystal Diamond MEMS Cantilever.
Penelitian tersebut melibatkan Yuta Ochiai, Vu Xuan Tung Duong, Zilong Zhang, Takahito Ono, Meiyong Liao, dan Masaya Toda.
Publikasi ilmiah ini menjadi dasar utama dari klaim teknologi sensor yang dikembangkan tim peneliti.
Mengapa Penemuan Ini Menarik?
Ada satu hal yang membuat penelitian ini berbeda.
Tim peneliti tidak hanya menggunakan teknologi kuantum untuk mendeteksi suatu besaran. Mereka mencoba mengintegrasikan fungsi kuantum langsung ke dalam struktur mekanis mikro.
Dengan demikian, satu perangkat dapat menjalankan fungsi mekanik sekaligus pengukuran kuantum.
Pendekatan tersebut dapat menjadi langkah penting menuju sistem sensor yang lebih kecil dan lebih terintegrasi.
Masa Depan Sensor Kuantum
Perkembangan teknologi ini menunjukkan bahwa sensor kuantum mulai bergerak dari penelitian dasar menuju berbagai aplikasi teknik yang lebih konkret.
Namun, perjalanan menuju penggunaan luas masih membutuhkan pengembangan lebih lanjut.
Para peneliti perlu meningkatkan akurasi, stabilitas, skalabilitas, serta kemampuan fabrikasi sebelum teknologi ini dapat diterapkan secara besar-besaran.
Meski begitu, hasil Tohoku University memberikan bukti bahwa fungsi pengukuran kuantum dapat diintegrasikan langsung dengan struktur MEMS.
Kesimpulan
Peneliti Tohoku University berhasil mengembangkan sensor kuantum berbasis NV center pada berlian yang terintegrasi langsung ke dalam struktur MEMS. Teknologi tersebut dapat mendeteksi tegangan tarik, tegangan tekan, serta perubahan tegangan dinamis ketika perangkat mikro bergetar.
Sistem tersebut menunjukkan respons dengan sensitivitas sekitar 19,8 MHz/GPa dan menggunakan teknik ODMR untuk membaca perubahan keadaan kuantum.
Menariknya, sensor tidak dipasang sebagai komponen tambahan. Fungsi penginderaan justru menjadi bagian dari struktur mekanis perangkat.
Jika pengembangan berikutnya berhasil meningkatkan akurasi dan skalabilitas, sensor kuantum berbasis berlian berpotensi menjadi salah satu teknologi penting untuk perangkat mikro generasi mendatang.
