Mengapa Superconductor menjadi Super?

Artikel ini secara ringkas menjelaskan bagaimana fenomena superkonduksi dapat muncul pada sebuah bahan. Selain itu, artikel ini juga membahas keunikan-keunikan superkonduktor dan pemanfaatan bahan superkonduktor

Munculnya Superconductivity

Pada konduktor biasa energi dari arus listrik terbuang karena electron yang membawa arus bertabrakan dengan ion logam konduktor. Sebaliknya, pada superconductor electron membentuk pasangan Cooper (Cooper pair) dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini bergerak sebagai satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari aliran ini, electron harus didorong ke energy quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.

Pentingnya Suhu bagi Superconductor

Kebanyakan superconductor saat ini bergantung pada helium cair sebagai pendingin. Pendingin yang sama digunakan oleh Heike Kamerlingh Onnes ketika ia menemukan fenomena superconductivity yang hampir satu abad yang lalu. Helium cair yang mendidih pada suhu 4,2 kelvin menambah biaya dan kompleksitas yang cukup besar untuk membuat sebuah sistem. Superconductor yang paling banyak digunakan adalah niobium alloy. Niobium alloy dapat menjadi superconductor pada suhu 18 Kelvin (dalam keadaan tidak adanya medan magnet). Pada alat-alat yang melibatkan medan magnet yang atau kepadatan arus tinggi, superconductor memerlukan pendingin ekstra untuk mempertahankan superkonduktivitas-nya. Magnet niobium alloy yang sangat kuat milik Large Hadron Collider, misalnya, beroperasi pada suhu 2,9 Kelvin. Material baru yang dapat berfungsi dengan baik di atas titik didih helium cair akan merevolusi aplikasi superconductor.

Levitation

Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor juga tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut Diamagnetisme sempurna. Efek ini dapat membuat sebuah magnet melayang di atas superkonduktor atau, sebuah superkonduktor di atas magnet. Superkonduktor juga dapat melayang di bawah magnet. Superconductor tipe 2 memungkinkan fluks magnet untuk menembus mereka dalam tabung tipis. Gambar berikut ini menunjukkan fenomena levitasi yang terjadi pada bahan superconductor.

Perkembangan Bahan Superconductor

Dalam 98 tahun para ilmuwan telah menemukan berbagai macam bahan yang dapat menjadi superconductor. Bahan-bahan tersebut antara lain:

1. Mercury (1911): Superconductor pertama ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan mercury di bawah suhu transisi superconductor yaitu 4,2 Kelvin.
2. Niobium Alloy (1941): Penggunaan superconductor dalam industri terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa niobium tin (Nb3Sn), yang menjadi superconductor pada suhu 18,3 Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan magnet besar.
3. Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb3Ge) memegang rekor temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.
4. Heavy Fermion (1979): Superconductor Heavy Fermion seperti uranium platina (UPt3) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional tidak dapat menjelaskan sifat superconductivity materi ini.
5. Cuprates (1986): Cuprates merupakan superconductor suhu tinggi yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 Kelvin.
6. Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang menjadi superconductor ketika didoping dengan atom logam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.
7. HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini menjadi superconductor pada suhu 164 Kelvin.
8. Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari superconductor konvensional.
9. Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor suhu tinggi.

Aplikasi Superconductor

Superconductor konvensional telah diaplikasikan pada berbagai alat, misalnya:

• akselerator partikel seperti Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) dan Large Hadron Collider. Gambar berikut ini menunjukkan penggunaan superkonduktor pada RHIC

• Sebagai gyroscopes dan detektor medan magnet dalam Gravity Probe B satellite. Gyroscopes adalah suatu alat untuk mengukur atau mempertahankan orientasi, berdasarkan prinsip-prinsip kekekalan momentum sudut. Bentuk dari Gravity Probe B ditunjukkan pada gambar berikut.

• atau untuk Magnetic resonance imaging (MRI). Magnetic Resonance Imaging (MRI) adalah suatu teknik pencitraan medis memvisualisasikan struktur internal dan fungsi tubuh. Bentuk dari devais Magnetic Resonance Imaging ditunjukkan pada gambar berikut.

Seiring dengan penyempurnaan proses fabrikasi kawat cuprate, keterbatasan superconductor cuprates berkurang. Perusahaan-perusahaan kini sedang mengembangkan sistem yang besar seperti turbin angin pembangkit listrik dan mesin penggerak kapal. Para ilmuwan berharap bahwa studi tentang pnictides akan membuka jalan bagi penemuan bahan baru dengan suhu transisi yang lebih tinggi atau lebih baik dibandingkan dengan sifat mekanik cuprate.