KELAS OLIMPIADE SAINS

Jumat, 05 Agustus 2022

Apa itu superkonduktor?




Oleh Paul Sutter diterbitkan 24 Juli 2021

Dalam superkonduktor, arus listrik bisa ada selamanya.

Superkonduktor digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti Kereta Maglev Shanghai, juga dikenal sebagai Shanghai Transrapid, kereta levitasi magnetik berkecepatan tinggi. (Kredit gambar: Getty Images/ Christian Petersen-Clausen)

Superkonduktor adalah bahan yang mencapai superkonduktivitas, yang merupakan keadaan materi yang tidak memiliki hambatan listrik dan tidak memungkinkan medan magnet untuk menembus. Arus listrik dalam superkonduktor dapat bertahan tanpa batas.

Superkonduktivitas biasanya hanya dapat dicapai pada suhu yang sangat dingin. Superkonduktor memiliki beragam aplikasi sehari-hari, mulai dari mesin MRI hingga kereta maglev super cepat yang menggunakan magnet untuk mengangkat kereta keluar jalur guna mengurangi gesekan. Para peneliti sekarang mencoba untuk menemukan dan mengembangkan superkonduktor yang bekerja pada suhu yang lebih tinggi, yang akan merevolusi transportasi dan penyimpanan energi.

Superkonduktor adalah bahan yang mencapai superkonduktivitas, yang merupakan keadaan materi yang tidak memiliki hambatan listrik dan tidak memungkinkan medan magnet untuk menembus. Arus listrik dalam superkonduktor dapat bertahan tanpa batas.

Superkonduktivitas biasanya hanya dapat dicapai pada suhu yang sangat dingin. Superkonduktor memiliki beragam aplikasi sehari-hari, mulai dari mesin MRI hingga kereta maglev super cepat yang menggunakan magnet untuk mengangkat kereta keluar jalur guna mengurangi gesekan. Para peneliti sekarang mencoba untuk menemukan dan mengembangkan superkonduktor yang bekerja pada suhu yang lebih tinggi, yang akan merevolusi transportasi dan penyimpanan energi.

Untuk mengkonfirmasi hasil ini, Onnes menerapkan arus listrik ke sampel merkuri yang didinginkan, lalu melepaskan baterai. Dia menemukan bahwa arus listrik bertahan di merkuri tanpa berkurang, membenarkan kurangnya hambatan listrik dan membuka pintu untuk aplikasi superkonduktivitas di masa depan.

SEJARAH SUPERKONDUKTIVITAS

Fisikawan menghabiskan beberapa dekade mencoba memahami sifat superkonduktivitas dan apa yang menyebabkannya. Mereka menemukan bahwa banyak elemen dan material, tetapi tidak semuanya, menjadi superkonduktor ketika didinginkan di bawah suhu kritis tertentu.

Pada tahun 1933, fisikawan Walther Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa superkonduktor "mengusir" medan magnet terdekat, yang berarti medan magnet yang lemah tidak dapat menembus jauh di dalam superkonduktor, menurut Hyper Physics, situs pendidikan dari departemen fisika dan astronomi. Fenomena ini disebut efek Meissner.

Baru pada tahun 1950 fisikawan teoretis Lev Landau dan Vitaly Ginzburg menerbitkan teori tentang bagaimana superkonduktor bekerja, menurut biografi Ginzburg di situs web The Nobel Prize. Meskipun berhasil memprediksi sifat-sifat superkonduktor, teori mereka adalah "makroskopik", yang berarti teori itu berfokus pada perilaku superkonduktor skala besar sambil tetap mengabaikan apa yang terjadi pada tingkat mikroskopis.

Akhirnya, pada tahun 1957, fisikawan John Bardeen, Leon N. Cooper dan Robert Schrieffer mengembangkan teori superkonduktivitas mikroskopis yang lengkap. Untuk menciptakan hambatan listrik, elektron dalam logam harus bebas untuk memantul. Tetapi ketika elektron di dalam logam menjadi sangat dingin, mereka dapat berpasangan, mencegahnya memantul. Pasangan elektron ini, yang disebut pasangan Cooper, sangat stabil pada suhu rendah, dan tanpa elektron "bebas" untuk memantul, hambatan listrik menghilang. Bardeen, Cooper dan Schrieffer menyatukan potongan-potongan ini untuk membentuk teori mereka, yang dikenal sebagai teori BCS, yang mereka terbitkan dalam jurnal Physical Review Letters.

BAGAIMANA SUPERCONDUCTOR BEKERJA?

Ketika logam turun di bawah suhu kritis, elektron dalam logam membentuk ikatan yang disebut pasangan Cooper. Terkunci seperti ini, elektron tidak dapat memberikan hambatan listrik, dan listrik dapat mengalir melalui logam dengan sempurna, menurut University of Cambridge.

Namun, ini hanya bekerja pada suhu rendah. Ketika logam menjadi terlalu hangat, elektron memiliki energi yang cukup untuk memutuskan ikatan pasangan Cooper dan kembali menawarkan resistansi. Itulah sebabnya Onnes, dalam eksperimen aslinya, menemukan bahwa merkuri berperilaku sebagai superkonduktor pada 4,19 K, tetapi tidak pada 4,2 K.

UNTUK APA SUPERCONDUCTOR DIGUNAKAN?

Sangat mungkin Anda menemukan superkonduktor tanpa menyadarinya. Untuk menghasilkan medan magnet yang kuat yang digunakan dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI) dan pencitraan resonansi magnetik nuklir (NMRI), mesin menggunakan elektromagnet yang kuat, seperti yang dijelaskan oleh Mayo Clinic. Elektromagnet yang kuat ini akan melelehkan logam biasa karena panasnya bahkan sedikit hambatan. Namun, karena superkonduktor tidak memiliki hambatan listrik, tidak ada panas yang dihasilkan, dan elektromagnet dapat menghasilkan medan magnet yang diperlukan.

Elektromagnet superkonduktor serupa juga digunakan di kereta maglev, reaktor fusi nuklir eksperimental, dan laboratorium akselerator partikel berenergi tinggi. Superkonduktor juga digunakan untuk menggerakkan railgun dan coilgun, stasiun pangkalan ponsel, sirkuit digital cepat, dan detektor partikel.

"Salah satu aplikasi superkonduktor yang paling menarik adalah untuk komputer kuantum," kata Alexey Bezryadin, fisikawan materi terkondensasi di University of Illinois di Urbana-Champaign. Karena sifat unik arus listrik dalam superkonduktor, mereka dapat digunakan untuk membangun komputer kuantum.

"Komputer semacam itu terdiri dari bit kuantum atau qubit. Qubit, tidak seperti bit informasi klasik, dapat eksis dalam status superposisi kuantum menjadi '0' dan '1' pada saat yang sama. Perangkat superkonduktor dapat meniru ini," kata Bezryadin kepada Live Science . "Misalnya, arus dalam loop superkonduktor dapat mengalir searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam pada saat yang sama. Keadaan seperti itu merupakan contoh qubit superkonduktor."

Superkonduktor memungkinkan elektromagnet yang kuat di mesin MRI bekerja tanpa melelehkan mesin. (Kredit gambar: Getty Images/ Thomas Barwick)

APA YANG TERBARU DALAM PENELITIAN SUPERCONDUCTOR?

Tantangan pertama bagi para peneliti saat ini adalah "untuk mengembangkan bahan yang superkonduktor pada kondisi sekitar, karena saat ini superkonduktivitas hanya ada baik pada suhu yang sangat rendah atau pada tekanan yang sangat tinggi," kata Mehmet Dogan, peneliti postdoctoral di University of California, Berkeley. Tantangan berikutnya adalah mengembangkan teori yang menjelaskan bagaimana superkonduktor baru bekerja dan memprediksi sifat-sifat bahan tersebut, Dogan mengatakan kepada Live Science melalui email.

Superkonduktor dipisahkan menjadi dua kategori utama: superkonduktor suhu rendah (LTS), juga dikenal sebagai superkonduktor konvensional, dan superkonduktor suhu tinggi (HTS), atau superkonduktor tidak konvensional. LTS dapat dijelaskan dengan teori BCS untuk menjelaskan bagaimana elektron membentuk pasangan Cooper, sedangkan HTS menggunakan metode mikroskopis lain untuk mencapai resistansi nol. Asal usul HTS adalah salah satu masalah utama fisika modern yang belum terpecahkan.

Sebagian besar penelitian historis tentang superkonduktivitas mengarah ke LTS, karena superkonduktor tersebut lebih mudah ditemukan dan dipelajari, dan hampir semua aplikasi superkonduktivitas melibatkan LTS.

Sebaliknya, HTS adalah bidang penelitian modern yang aktif dan menarik. Apa pun yang berfungsi sebagai superkonduktor di atas 70 K umumnya dianggap sebagai HTS. Meskipun itu masih cukup dingin, suhu itu diinginkan karena dapat dicapai dengan pendinginan dengan nitrogen cair, yang jauh lebih umum dan tersedia daripada helium cair yang dibutuhkan untuk mendinginkan ke suhu yang lebih rendah yang dibutuhkan untuk LTS.

MASA DEPAN SUPERKONDUKTOR

"Cawan suci" penelitian superkonduktor adalah menemukan bahan yang dapat bertindak sebagai superkonduktor pada suhu kamar. Sampai saat ini, suhu superkonduktor tertinggi dicapai dengan hidrida sulfur karbonat yang sangat bertekanan, yang mencapai superkonduktivitas pada 59 F (15 C, atau sekitar 288 K), tetapi membutuhkan 267 gigapascal tekanan untuk melakukannya. Tekanan itu setara dengan interior planet raksasa seperti Jupiter, yang membuatnya tidak praktis untuk aplikasi sehari-hari.

Superkonduktor suhu kamar akan memungkinkan transmisi energi listrik tanpa kehilangan atau pemborosan, kereta maglev yang lebih efisien, dan penggunaan teknologi MRI yang lebih murah dan ada di mana-mana. Aplikasi praktis superkonduktor suhu kamar tidak terbatas — fisikawan hanya perlu mengetahui bagaimana superkonduktor bekerja pada suhu kamar dan bahan "Goldilocks" apa yang memungkinkan terjadinya superkonduktivitas.

Paul Sutter
Paul Sutter 

Paul M. Sutter adalah profesor riset astrofisika di SUNY Stony Brook University dan Flatiron Institute di New York City. Dia secara teratur muncul di TV dan podcast, termasuk "Ask a Spaceman." Dia adalah penulis dua buku, "Tempat Anda di Alam Semesta" dan "Cara Mati di Luar Angkasa," dan merupakan kontributor tetap untuk Space.com, Live Science, dan banyak lagi. Paul menerima gelar PhD di bidang Fisika dari University of Illinois di Urbana-Champaign pada tahun 2011, dan menghabiskan tiga tahun di Institut Astrofisika Paris, diikuti dengan beasiswa penelitian di Trieste, Italia.