Penelitian inovatif yang dipublikasikan dalam jurnal Science pada bulan September 2025 oleh Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan George Washington University telah mengkonfirmasi bahwa atom-atom dalam semikonduktor dapat secara spontan membentuk pola lokal terstruktur yang dikenal sebagai keteraturan jarak pendek (short-range order/SRO). Studi ini menunjukkan bahwa pola SRO ini secara signifikan memengaruhi sifat elektronik material semikonduktor. Fokus utama penelitian ini adalah pada paduan germanium-timah (GeSn), yang menunjukkan potensi besar untuk aplikasi dalam komputasi kuantum dan optoelektronik.
Para ilmuwan menggunakan teknik pencitraan transmisi elektron pemindai 4D (4D-STEM) yang canggih untuk mengamati susunan atom yang jelas dan berulang dalam sampel GeSn, memberikan bukti eksperimental langsung pertama dari SRO dalam material semikonduktor. Kemampuan 4D-STEM untuk menangkap pola difraksi elektron pada setiap piksel dalam gambar STEM memungkinkan visualisasi detail struktur atomik yang sebelumnya sulit dijangkau. Untuk menginterpretasikan pola atomik yang teramati, tim peneliti berkolaborasi dengan kelompok Tianshu Li di George Washington University, yang mengembangkan model pembelajaran mesin yang canggih untuk mensimulasikan jutaan atom. Model ini memungkinkan para peneliti untuk mencocokkan motif eksperimental dengan struktur atomik spesifik secara akurat, mengintegrasikan pemodelan dan eksperimen untuk pemahaman komprehensif tentang SRO dalam paduan GeSn.
Penemuan ini memiliki implikasi besar bagi pengembangan perangkat mikroelektronik di masa depan. Dengan kemampuan untuk mengontrol SRO secara presisi, para ilmuwan dapat menyesuaikan karakteristik elektronik semikonduktor sesuai kebutuhan. Kemajuan ini berpotensi menghasilkan komponen elektronik yang lebih efisien dan terspesialisasi, menandai langkah maju yang signifikan menuju desain semikonduktor pada skala atomik. Andrew Minor, seorang peneliti terkemuka dari Berkeley Lab, menekankan bahwa pembuktian SRO secara eksperimental bukanlah tugas yang mudah, namun penelitian ini membuka jalan untuk memanipulasi susunan atom demi menciptakan perangkat baru.
Penelitian ini didukung oleh U.S. Department of Energy's Office of Science dan Molecular Foundry, sebuah Fasilitas Pengguna DOE Office of Science. Temuan ini juga dipresentasikan pada 2025 MRS Spring Meeting & Exhibit di Seattle, Washington. Individu kunci yang terlibat dalam studi ini meliputi Anis Attiaoui, John Lentz, Lilian Vogl, Joseph C. Woicik, Jarod Meyer, Shunda Shen, Kunal Mukherjee, Tianshu Li, Andrew Minor, dan Paul McIntyre. Lilian Vogl, yang sebelumnya merupakan peneliti postdoctoral di Berkeley Lab, kini memimpin grup di Max Planck Institute for Sustainable Materials. Kemampuan untuk memanipulasi SRO membuka era baru dalam teknologi informasi pada skala atomik, memungkinkan penempatan motif SRO yang terdeterminasi untuk menyesuaikan struktur pita energi, yang dapat berdampak pada berbagai teknologi, mulai dari material kuantum topologis hingga komputasi neuromorfik dan detektor optik.