SUPERKONDUKTOR Mengenal Superkonduktor Superkonduktor belakangan ini menjadi topik pembicaraan dan penelitian yang paling populer. Superkonduktor menjanjikan banyak hal bagi kita, misalnya transmisi listrik yang efisien (tak ada lagi kehilangan energi selama transmisi). Memang saat ini penggunaam penggunaam superkondukt superkonduktor or belum praktis, praktis, dikarenakan dikarenakan masalah masalah perlunya perlunya pendinginan pendinginan (suhu kritis superkonduktor masih jauh di bawah suhu kamar). Tulisan singkat berikut mengajak Anda mengenal lebih jauh superkonduktor. Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan dibawah suatu suatu nilai nilai suhu suhu terten tertentu. tu. Suatu Suatu superk superkondu ondukto ktorr dapat dapat saja saja berupa berupa suatu suatu kondukt konduktor, or, semiko semikondu ndukto ktorr ataupu ataupun n suatu suatu insula insulator tor pada keadaan keadaan ruang. ruang. Suhu Suhu dimana dimana terjad terjadii perubahan perubahan sifat konduktivitas konduktivitas menjadi menjadi superkondukt superkonduktor or disebut disebut dengan temperatur temperatur kritis (T c). Superkondukto Superkonduktorr pertama kali ditemukan ditemukan oleh seorang seorang fisikawan fisikawan Belanda, Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leiden pada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K atau ? 269oC. Kemudian pada tahun 1911, Onnes mulai mempelajari sifat-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutl mutlak ak.. Dila Dilain in piha pihak, k, ilmu ilmuwa wan n yang yang lain lain term termas asuk uk Onnes Onnes memp memper erki kira rakan kan bahwa bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus. Dengan tidak adanya hambatan, maka arus dapat mengalir tanpa kehilangan energi. Percobaan Onnes dengan mengalirkan arus pada suatu 1
kumpar kumparan an superk superkondu ondukto ktorr dalam dalam suatu suatu rangka rangkaian ian tertut tertutup up dan kemudi kemudian an mencabu mencabutt sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengal mengalir. ir. Fenomen Fenomenaa ini kemudi kemudian an oleh oleh Onnes Onnes diberi diberi nama nama superk superkondu ondutiv tivita itas. s. Atas Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913. Penemua Penemuan n lainny lainnyaa yang yang berkai berkaitan tan dengan dengan superk superkondu ondukto ktorr terjad terjadii pada pada tahun tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan akan meno menola lak k meda medan n magne magnet. t. Sebag Sebagai aima mana na dike diketa tahu hui, i, apab apabil ilaa suat suatu u kond kondukt uktor or digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkondukt superkonduktor or arus yang dihasilkan dihasilkan tepat berlawanan berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istila istilah h diamag diamagneti netisme sme dan efek efek ini kemudi kemudian an dikena dikenall dengan dengan efek efek Meissn Meissner. er. Efek Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor, gambar 2. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya. Dengan Dengan berlal berlaluny unyaa waktu, waktu, ditemu ditemukan kan juga juga superk superkondu ondukto ktor-s r-supe uperko rkonduk nduktor tor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkondukt superkonduktor or dengan harga T c yang berbeda. Sebagai contoh, karbon juga bersifat superkonduktor dengan T c 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor. Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang superkonduktivitas. Alex Müll Mü ller er and Geor Georg g Bedn Bednor orz, z, penel penelit itii di Labo Labora rato tori rium um Rise Risett IBM IBM di Rüsc Rüschl hlik ikon on,, Switzerland berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Kerami Keramik k tidak tidak mengha menghanta ntarka rkan n listri listrik k sama sama sekali sekali pada pada suhu suhu ruang. ruang. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak memperhitungkan bahwa keramik dapat
2
menjadi superkonduktor. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian. Penemuan demi penemuan dibidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesanya suatu suatu bahan organik organik yang bersifat superkonduktor, superkonduktor, yaitu yaitu (TMTSF)2PF6. (TMTSF)2PF6. Titik kritis kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K. Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen nitrogen cair sebagai sebagai pendinginny pendinginnya. a. Karena suhunya cukup tinggi dibandingkan dibandingkan dengan mate materi rial al super superkon kondu dukt ktor or yang yang lain lain,, maka maka mate materi rial al-m -mat ater erial ial ters terseb ebut ut diber diberii nama nama superkonduktor suhu tinggi.Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat
ini
adalah
138
K,
Hg0.8T Hg0.8Tl0. l0.2Ba2 2Ba2Ca2 Ca2Cu3O Cu3O8.3 8.33. 3.
yaitu
untuk
suatu
bahan
yang
memiliki
rumus
Superko Superkondu ndukto ktorr kini kini telah telah banyak banyak digunak digunakan an dalam dalam
berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengal mengalir. ir. Penggun Penggunaan aan superk superkondu ondukto ktorr dibida dibidang ng transp transport ortasi asi memanf memanfaat aatkan kan efek efek Meissn Meissner, er, yaitu yaitu pengang pengangkat katan an magnet magnet oleh oleh superk superkondu ondukto ktor. r. Hal ini ditera diterapkan pkan pada pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, gambar 3. Kereta api ini melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka maka gesekan gesekan antara roda roda dengan dengan rel dapat dihila dihilangka ngkan n dan akibat akibatnya nya kereta kereta dapat dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km/jam. Pengg Pengguna unaan an supe superk rkon onduk dukto torr yang yang sang sangat at luas luas tent tentu u saja saja dibi dibidan dang g list listri rik. k. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 an ukurannya jauh jauh lebih lebih kecil kecil dibandi dibandingk ngkan an dengan dengan genera generator tor yang yang menggun menggunakan akan kawat kawat tembaga tembaga.. Suatu perusahaan amerika, American Superconductor Corp. diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel 3
superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7000 dari segi tempat. Dibi Dibida dang ng
komp komput uter er,,
supe superk rkon ondu dukt ktor or
digu diguna naka kan n
untu untuk k
memb membua uatt
suat suatu u
superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTSSQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5000 tenaga kuda. Berdasarkan Berdasarkan perkiraan perkiraan yang kasar, perdagangan perdagangan superkondukt superkonduktor or di dunia diproyeksikan diproyeksikan untuk berkembang senilai $90 trilyun pada tahun 2010 dan $200 trilyun pada tahun 2020. Perkiraan ini tentu saja didasarkan pada asumsi pertumbuhan yang linear. Apabila superkonduktor baru dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan, pertumbuhan dibidang superkonduktor akan terjadi secara luar biasa.
1. Sejarah Singkat Superkonduk Superkonduktor tor Superko Supe rkondu ndukto ktorr per pertam tamaa kal kalii dit ditemu emukan kan ole oleh h fi fisik sikawan awan Bel Belanda anda Kam Kamerl erling ingh h Onnes (1853-1926). Ia mendinginkan air raksa di helium cair yang bersuhu 4 K, dan hasilnya, resistansi air raksa tersebut hilang dan ia mendapatkan hadiah Nobel Fisika tahun 1913 untuk penelitiannya ini. Kemudian pada 1933, dua orang peneliti Jerman, Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld Ochse nfeld menemukan bahwa bahan superkonduktor superkonduktor akan menolak medan magnet. Sifa Si fatt
meno me nola lak k
magn ma gnet et
inii in
dise di sebu butt
deng de ngan an
diam di amag agne neti tism sme. e.
Ke-d Ke -dia iama magn gnet etik ik-a -an n
superkonduktor tersebut sangat kuat dan dapat membuat magnet melayang di atas bahan superkonduktor. Efek ini sering disebut sebagai “Meissner Effect.” Bebe Be bera rapa pa
tahun ta hun ber berik ikut utny nya, a,
beber be berap apaa
bahan ba han su super perkon kondu dukt ktor or di dite temu muka kan. n.
Contohnya adalah niobium-nitrida, yang memiliki sifat superkonduktivitas pada suhu 16 K (1 (194 941) 1).. La Lalu lu di ta tahu hun n 19 1962 62,, il ilmu muwa wan n di We West stin ingho ghous usee me meng ngem emba bang ngkan kan kab kabel el supe su perk rkon onduk dukto torr kom komer ersi sial al pe pert rtam amaa ya yang ng be berb rbah ahan an al aloy oy ni niobi obium um da dan n ti tita taniu nium. m. Lalu, Lal u, di tah tahun un 1957 1957,, ti tiga ga ora orang ng fis fisika ikawan wan Ame Ameri rika ka men mengem gembang bangkan kan teo teori ri ten tentan tang g 4
superkonduktor. Fisikawan tersebut adalah John Bardeen, Leon N. Cooper, dan J. Robert Schrieffer. Teori tersebut menjelaskan tentang superkonduktivitas pada suhu hampir nol mutlak untuk unsur-unsur dan aloy. Teori superkonduktor tersebut lebih dikenal dengan nama “BCS Theory.” Singkatan BCS diambil dari huruf depan nama belakang masingmasing fisikawan. Kemudian, teori ini membuat ketiga ilmuwan tersebut memenangkan Nobel Fisika pada tahun 1972.
2. Teori Superkondu Superkonduktor ktor 2.1 Definisi Superko Supe rkondu ndukto ktorr ada adalah lah uns unsur ur ata atau u alo aloy y met metal al yan yang g jik jikaa did diding ingink inkan an sam sampai pai mende me ndeka kati ti su suhu hu no noll mu mutl tlak ak (0 K) K),, me menj njadi adi hi hila lang ng ta taha hana nanny nnya. a. Pa Pada da pr prin insi sipn pnya ya,, superkonduktor dapat mengalirkan arus listrik tanpa kehilangan energi. Namun secara praktek, superkonduktor ideal sangat sulit untuk dihasilkan. d ihasilkan. 2.2 Superkonduktor
Superkonduktivitas suatu bahan bukanlah hal yang baru. Sifat ini diamati untuk yang pertama kalinya pada tahun 1911 oleh fisikawan Belanda H.K. Onnes, yaitu ketika ia menemukan bahwa air raksa murni yang didinginkan dengan helium cair ( suhu 4,2 K ) kehilangan seluruh resistansi listriknya. Sejak itu harapan untuk menciptakan alat-alat listrik yang ekonomis terbuka lebar-lebar. Bayangkan, dengan resistansinya yang nol itu superk sup erkond ondukt uktor or dapa dapatt men menghan ghantar tarkan kan aru aruss lis listr trik ik tan tanpa pa kehi kehilan langan gan day dayaa sed sediki ikitpu tpun, n, kawat superkonduktor tidak akan menjadi panas dengan lewatnya arus listrik. Kenda Ke ndala la te terb rbes esar ar ya yang ng ma masi sih h me mengh nghad adang ang te tera rapa pan n su supe perk rkon ondu dukt ktor or da dala lam m peralatan praktis sehari-hari adalah bahwa superkonduktivitas bahan barulah muncul pada suhu yang C! Dengan demikian niat penghematan pemakaian daya°amat rendah, jauh di bawah 0 list listrik rik masih harus bersaing bersaing dengan biaya pendinginan pendinginan yang harus dilakukan. dilakukan. Oleh sebab itulah para ahli sampai sekarang terus berlomba-lomba menemukan bahan superkonduktor yang dapat beroperasi pada suhu tinggi, kalau bisa ya pada suhu kamar. Dari uraian di atas superkonduktor dapat diartikan sebagai suatu material yang tidak memiliki hambatan pada suhu tertentu yang dinamakan dengan suhu kritik. 5
Gambar 1. Grafik hubungan antara resistivitas terhadap Suhu
2.3 Sifat Kelistrikan Superkonduktor
Sebelum menjelaskan prinsip superkonduktor, akan lebih baik jika terlebih dahulu menjelaskan bagaimana kerja logam konduktor pada umumnya. Bahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis serta elektron bebas. Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akan mendapat percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik
pada
logam
konduktor.
Berikut
6
adalah Keadaan
normal
Atom
Kisi
Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara elektron dengan inti atom. Namun elektron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari atom kisi. Efek ini dapat dijelaskan oleh Teori BCS. Ketika elektron melewati kisi, inti yang bermuatan positif menarik elektron yang bermuatan negatif dan meng akibatkan elektron bergetar.
Gambar 3. Keadaan Superkonduktor Atom Kisi pada logam
Jika ada dua buah elektron yang melewati kisi, elektron kedua akan mendekati elektron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih besar. Gaya ini melebihi gaya tolak-menolak antar elektron sehingga kedua elektron bergerak berpasangan. Pasangan ini disebut Cooper Pairs. Efek ini dapat dijelaskan dengan istilah Phonons. Ketika elektron pertama pada Cooper Pairs melewati inti atom kisi. Elektron yang mendekati inti atom kisi akan bergetar dan memancarkan Phonon. Sedangkan elektron lainnya menyerap Phonon. Pertukaran Phonon ini mengakibatkan gaya tarik menarik antar elektron. Pasangan elektron ini akan melalu kisi tanpa gangguan dengan kata lain tanpa hambatan.
2.4 Sifat Kemagnetan Superkonduktor
Sifat lain dari superkonduktor yaitu bersifat diamagnetisme sempurna. Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan 7
medan magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan yang sama dapat diamati jika medan magnet diberikan pada bahan dalam suhu normal kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada suhu kritis, medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner.
2.5 Sifat Quantum Superkonduktor
Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori BCS. Fungsi gelombang BCS menyusun pasangan partikel dan . Ini adalah bentuk lain dari pasangan partikel yang mungkin dengan Teori BCS. Teori BCS menjelaskan bahwa : a. Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap. b. Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanyaenergi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung ini terjadi ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua elektron ini beronteraksi melalui deformasi kisi. c. London Penetration Depthmerupakan konsekuensi dari Teori BCS.
3.6 Efek Meissner
8
Sifat kemagnetan superkonduktor diamati oleh Meissner dan Ochsenfeld pada tahun 1933, ternyata superkonduktor berkelakuan seperti bahan diamagnetiksempurna, ia menolak medan magnet sehingga ia pun dapat mengambang di atas sebuah magnet tetap. Jadi kerentanan magnetnya (susceptibility) c = -1, bandingkan dengan konduktor biasa yang c = -10-5. Fenomena ini disebut efek Meissner yang tersohor itu. Jadi satu keunggulan lagi bagi superkonduktor terhadap konduktor biasa. Ia tidak saja menjadi perisai terhadap medan listrik, tapi juga terhadap medan magnet, artinya medan listik dan magnet sama dengan nol di dalam bahan superkonduktor. Tetapi pada tahun 1935 London bersaudara melalui penelitian sifat elektrodinamik superkonduktor mendapatkan
bahwa intensitas medan magnet masih dapat menembus bahan superkonduktor walaupun hanya sebatas permukaan saja, ordenya hanya beberapa ratus angstrom. Sifat rembesan ini dinyatakan oleh parameter l yang disebut kedalaman
rembesan London. Medan
magnet ternyata berkurang secara eksponensial terhadap kedalaman sesuai dengannya.
Bo adalah medan di luar dan x adalah kedalamannya. λ di Tc harga λ
membesar dengan naiknya suhu,
tak berhingga besar, sehingga medan magnet mampu menerobos ke
seluruh bagian bahan tersebut atau dengan perkataan lain sifat superkonduktor telah hilang digantikan dengan keadaan normalnya. Teori London ini juga memberikan kesimpulan bahwa dalam bahan supekonduktor arus listrik akan mengalir di bagian permukaannya saja. Hal ini berbeda dengan arus listrik dalam konduktor biasa yang mengalir secara merata di seluruh bagian konduktor. Perbandingan watak magnetik pada keadaan normal, superkonduktor tipe I dan tipe II adalah seperti pada gambar
9
Pada tipe ii terdapat daerah peralihan yaitu antara Hcl dan Hc , pada saat itu struktur bahan terjadi dari daerah normal yang berupa silinder-silinder kecil, disebut fluksoid karena bias diterobos fluks magnet, yang dikelilingi sepenuhnya oleh daerah superkonduktor.
Efek meissner adalah fenomena yang sejauh ini, hanya berlaku di superkonduktor dimana eksternal medan magnet itu hanya dapat menembus superkonduktor untuk jarak yang sangat pendek, tidak seperti konduktor-konduktor yang biasa. Jarak ini, dinamakan London Penetration Depth, mempunyai inisial lambda (λ) dan untuk kebanyakan superkonduktor, jarak ini berukur sekitar 100 nm. Dari penjelasan diatas, kita bisa mengambil kesimpulan bahwa semakin dalam eksternal medan magnet mencoba untuk “menembus” superkonduktor, kekuatan medan magnet tersebut akan berkurang secara eksponensial. Jadi, apakah bukti bahwa Meissner Effect ini benar-benar ada? Salah satunya adalah, kita bisa menaruh magnet diatas superkonduktor dan magnet itu akan melayang (kalau magnet itu tidak melayang, itu menunjukkan bahwa medan dari magnet tersebut menembus superkonduktor). Tentu saja kalau magnet itu terlalu berat, gaya gravitasi dari magnet tersebut akan lebih besar dan magnet itu tidak melayang. Jadi kerentanan magnetnya (susceptibility) c = -1, bandingkan dengan konduktor biasa yang c = -10-5. Fenomena ini disebut efek Meissner yang tersohor itu. Jadi satu keunggulan lagi bagi superkonduktor terhadap konduktor biasa. Ia tidak saja menjadi perisai terhadap medan listrik, tapi juga terhadap medan magnet, artinya medan listik dan magnet sama dengan nol di dalam bahan superkonduktor. Tetapi pada tahun 1935 London bersaudara melalui penelitian sifat elektrodinamik superkonduktor mendapatkan bahwa intensitas medan magnet masih dapat menembus bahan superkonduktor walaupun hanya sebatas permukaan saja, ordenya hanya beberapa ratus angstrom. Sifat rembesan ini dinyatakan oleh parameter l yang disebut kedalaman rembesan London. Medan magnet ternyata berkurang secara eksponensial terhadap kedalaman sesuai dengannya. Bo adalah medan di luar dan x adalah kedalamannya. l membesar dengan naiknya suhu, di Tc harga l tak berhingga besar, sehingga medan magnet mampu menerobos ke seluruh bagian bahan
10
tersebut atau dengan perkataan lain sifat superkonduktor telah hilang digantikan dengan keadaan normalnya. Teori
London
ini
juga
memberikan
kesimpulan
bahwa
dalam
bahan
supekonduktor arus listrik akan mengalir di bagian permukaannya saja. Hal ini berbeda dengan arus listrik dalam konduktor biasa yang mengalir secara merata di seluruh bagian konduktor. Perbandingan watak magnetik pada keadaan normal, superkonduktor tipe I dan tipe II Tetapi, fenomena ini tidak akan terjadi kalau medan magnet disekitar superkonduktor itu terlalu besar dan superkonduktor ini akan menjadi konduktor biasa. Karena ini, superkonduktor bisa dibedakan menjadi dua kategori. Katergori pertama, medan magnet akan dapat menembus superkonduktor jika eksternal medan magnet ini mencapai nilai tertentu yang dinamakan, critical field. Bukan hanya itu, superkonduktor ini akan mempunyai hambatan setelah ini.
Tetapi, untuk superkonduktor dari kategori kedua, yang biasanya merupakan material-material kompleks seperti Vanadium, Niobium ataupun Technetium, mereka mempunyai dua critical field. Setelah kekuatan eksternal medan magnet telah mencapai critical field yang pertama, medan magnet akan dapat menembus superkonduktor itu meskipun superkonduktor itu tidak mempunyai hambatan sama sekali. Setelah medan magnet ini mencapai critical field yang kedua, barulah superkonduktor ini mempunyai hambatan. Efek Meissner ini sangat kuat sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.
11
3.
Tipe Superkonduktor
Berdasarkan medan magnet kritisnya, bahan superkonduktor dibagi menjadi dua tipe, yaitu : superkonduktor tipe I dan superkonduktor tipe II . Superkonduktor tipe I hanya mempunyai satu harga medan magnet kritis (Hc). Jika medan magnet luar yang dikenakan pada superkonduktor berharga lebih kecil dari Hc, maka terjadi efek Meissner sempurna dan jika lebih besar dari Hc, maka fluks magnet luar akan menerobos masuk ke dalam bahan superkonduktor sehingga fenomena superkonduktivitas menghilang. Peristiwa efek Meissner sempurna dimaksudkan sebagai keadaan di mana superkonduktor akan menolak seluruh fluks magnet luar yang mengenainya sehingga induksi magnet di dalam superkonduktor berharga nol atau suseptibilitasnya berharga -1. Hal ini menunjukkan bahwa superkonduktor bisa berlaku sebagai bahan diamagnetik sempurna. 12
Superkonduktor tipe II mempunyai dua harga medan magnet kritis, yaitu Hc1 atau medan kritis rendah dan Hc2 atau medan kritis tinggi. Superkonduktor tipe II akan bersifat sama dengan superkonduktor tipe I ketika medan magnet luar berharga lebih kecil dari Hc1. Jika medan magnet luar berharga antara Hc1 dan Hc2, maka sebagian fluks magnet akan menerobos ke dalam bahan superkonduktor, sehingga superkonduktor dikatakan berada dalam keadaan campuran (mixed state). Selanjutnya, bahan akan kehilangan sifat superkonduktifnya ketika medan magnet luar berharga lebih besar dari Hc2. Pada keadaan campuran, fluks magnet yang menerobos superkonduktor terkuantisasi berbentuk seperti barisan tabung-tabung kecil. Tiap tabung yang biasa disebut vorteks tersebut membawa fluks magnet sebesar 2,067 x 10-15 weber. 4.1 Superkonduktor Tipe 1
Superkonduktor tipe 1 terdiri dari logam dan metaloid yang menunjukkan beberapa sifat konduktivitas di suhu ruangan. Superkonduktor tipe 1 ini membutuhkan suhu yang sangat dingin agar menjadi superkonduktif. Saat menjadi superkonduktif, tipe 1 ini akan menghasilkan sifat diamagnetik yang kuat. Di bawah ini adalah beberapa nama superkonduktor tipe 1. -Timbal (Pb) (menjadi superkonduktif di suhu 7,196 K) -Lantanum (La) (menjadi superkonduktif di suhu 4,88 K) -Tantalum (Ta) (menjadi superkonduktif di suhu 4,47 K) -Air raksa (Hg) (menjadi superkonduktif di suhu 4,15 K) -Timah (Sn) (menjadi superkonduktif di suhu 3,72 K) -Indium (In) (menjadi superkonduktif di suhu 3,41 K) -Paladium (Pd) (menjadi superkonduktif di suhu 3,3 K) -Krom (Cr) (menjadi superkonduktif di suhu 3 K)
13
-Aluminium (Al) (menjadi superkonduktif di suhu 1,175 K) -Seng (Zn) (menjadi superkonduktif di suhu 0,85 K) -Platina (Pt) (menjadi superkonduktif di suhu 0,0019 K) Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus – menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan normal.
Gambar . Grafik Magnetisasi terhadap Medan magnet
4.2 Superkonduktor Tipe 2
Superkonduktor tipe 2 berbeda dengan tipe 1 saat transisi dari keadaan normal ke superkonduktif. Superkonduktor tipe 2 terdiri dari senyawa logam dan aloy. Kerennya, 14
beberapa bahan tipe 2 membutuhkan suhu yang relatif lebih hangat untuk menjadi superkonduktif dibandingkan dengan tipe 1. Berikut adalah beberapa contoh superkonduktor tipe 2: -(Sn5In)Ba4Ca2Cu11Oy (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 218 K) -(Sn5In)Ba4Ca2Cu10Oy -Sn5Ba4Ca2Cu10Oy
(menjadi
(menjadi
superkonduktif superkonduktif
di di
suhu suhu
sekitar sekitar
212
K)
200
K)
Sebenarnya masih banyak bahan-bahan yang merupakan superkonduktor tipe 2, untuk lebih lengkapnya, kunjungi situs ini. Superkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS karena apabila superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS,efek Meissner nya tidak terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan mBc Ba 0 bagaimana medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini. Lebih lanjut ia pun dengan secara mendetail dapat memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet. Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap. Pada suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor Tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I.
15
. Grafik. Magnetisasi terhadap Medan magnet 4.
Kelompok Superkonduktor
Berdasarkan nilai suhu kritisnya, superkonduktor dibagi menjadi dua kelompok yaitu :
5.1 Superkonduktor bersuhu kritis rendah Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih kecil dari 23 K. Superkonduktor jenis ini sudah ditinggalkan karena biaya yang mahal untuk mendinginkan bahan. Superkonduktor bersuhu kritis tinggi Superkonduktor jenis ini memiliki suhu kritis lebih besar dari 78 K. Superkonduktor jenis ini merupakan bahan yang sedang dikembangkan sehingga diharapkan memperoleh superkonduktor pada suhu kamar sehingga lebih ekonomis. Contoh Superkonduktor bersuhu kritis tinggi adalah sampel bahan YBa2Cu3O7-x. Bahan ini memiliki struktur kristal orthorhombic = 90
16
Gambar. Struktur orthorombik
Pada grafik diatas dapat kita lihat bahwasanya makin tinggi suhu yang diberikan pada bahan superkonduktor, maka struktur Kristal superkonduktor tidak lagi berbentuk ortorombik. Maka dengan adanya perubahan struktur kristal superkonduktor, suatu bahan akan kehilangan sifat superkonduktornya.
5.2 Jenis Superkonduktor Suhu-Tinggi Superkonduktor suhu-tinggi umumnya adalah hal yang mempertunjukkan superkonduktivitas pada suhu di atas suhu nitrogen cair, atau −196 °C (77 K), karena ini merupakan suhu cryogenik yang mudah dicapai. Superkonduktor konvensional membutuhkan suhu tidak lebih dari beberapa derajat di atas nol mutlak (−273.15 °C atau −459.67 °F). Material paling terkenal adalah Tc-tinggi yang disebut cuprate, seperti La1.85Ba0.15CuO4, YBCO (Yttrium-Barium-Copper-Oxide) dan bahan sejenis. Seluruh superkonduktor Tc-tinggi disebut superkonduktor tipe-II. Superkonduktor tipe-II mengijinkan medan magnet untuk menembus bagian dalamnya dalam satuan flux quanta, menghasilkan 'lubang' (atau tabung) wilayah metalik normal dalam kumpulan superkonduksi. Sifat ini membuat superkonduktor Tc-tinggi mampu bertahan di medan magnet yang jauh lebih tinggi.
17
Contoh kecil superkonduktor suhu tinggi BSCCO-2223. 2 jalur di belakang terpisah 1 mm. Salah satu masalah tak terselesaikan dalam fisika modern adalah pertanyaan bagaimana superkonduktivitas dapat terjadi dalam material tersebut, yaitu, mekanika apa yang menyebabkan elektron dalam kristal tersebut dapat membentuk pasangan. Meskipun riset yang giat telah dilakukan dan banyak menghasilkan petunjuk, namun jawabannya masih membingungkan ilmuwan. Salah satu alasannya adalah material yang dipertanyakan sangat rumit, kristal banyak-lapisan (contohnya, BSCCO), membuat pemodelan teoritis sulit. Namun dengan penemuan baru dan penting dalam bidang ini, banyak peneliti optimis bahwa pemahaman lengkap terhadap proses ini dapat terjadi dalam satu dekade mendatang.
5.
Suhu Pemadaman
Suhu pemadaman merupakan batas suhu untuk merusak sifat superkonduktor. Artinya pada suhu ini superkonduktor akan rusak Pada grafik diatas dapat kita lihat bahwasanya makin tinggi suhu yang diberikan pada bahan superkonduktor, maka struktur Kristal superkonduktor tidak lagi berbentuk ortorombik. Maka dengan adanya perubahan struktur kristal superkonduktor, suatu bahan akan kehilangan suhu.
18
Pada grafik diatas dapat kita lihat bahwasanya makin tinggi suhu yang diberikan pada bahan superkonduktor, maka struktur Kristal superkonduktor tidak lagi berbentuk ortorombik. Maka dengan adanya perubahan struktur kristal superkonduktor, suatu bahan akan kehilangan sifat superkonduktornya.
Grafik diatas menunjukan hubungan antara suhu kritis dengan suhu bahan superkonduktor. Jika suhu yang diberikan pada bahan Sumbu kristal Å 400 800 TC (K) 92 (K) 400 800 T (0C) 11 superkonduktor makin besar, maka suhu kritis bahan akan mendekati nilai nol kelvin.
19
6.
Kegunaan Superkonduktor
Kini, ilmuwan sedang mencari bahan yang superkonduktif pada suhu biasa. Jika superkonduktor pada suhu biasa ditemukan, maka dampaknya terhadap kehidupan manusia akan sangat besar. Mesin-mesin dan alat elektronik seperti komputer akan bekerja jauh lebih cepat dan lebih hemat energi. Beberapa alat seperti scanner tubuh di rumah sakit yang membutuhkan energi listrik yang besar juga akan lebih hemat energi. Tau gak kereta “Maglev”? Kereta “Maglev” adalah kereta yang bekerja berdasarkan prinsip tolak-menolak magnet. Di kereta “Maglev” terdapat dua buah magnet listrik yang berlawanan kutub sehingga dapat membuat kereta melayang. Jika melayang, berarti gaya gesek dengan bidang akan berkurang, lalu kereta akan melaju lebih cepat. Nah, kereta “Maglev” ini memiliki masalah dalam kehidupan. Kereta “Maglev” memiliki medan magnet yang sangat kuat sehingga dapat menimbulkan bio-hazard dan mengganggu kesehatan tubuh. Namun, seiring dengan ditemukannya superkonduktor, kereta “Maglev” yang konvensional saat ini dapat tergantikan. Ke-diamagnetik-an superkonduktor dapat mengganti prinsip kerja kereta “Maglev,” walaupun pada dasarnya sama. Superkonduktor akan melayang di atas magnet, sehingga superkonduktor dapat menggantikan salahsatu magnet listrik di kereta “Maglev.” Kegunaan lain dari superkonduktor adalah bahwa superkonduktor dapat mengurangi emisi karbondioksida di alam. 7.
Bahan superkonduktor Sinonim
Y, Ba, CuO2, Bi, Sr, Ca, Cu oksida, Ba, Ca, barium karbonat, oksida barium, logam barium, strontium karbonat, oksida strontium, logam strontium, oksida lantanum, lantanum logam, oksida skandium, skandium benjolan dendritik, skandium logam, oksida yttrium, yttrium benjolan dendritik, logam itrium, oksida tembaga, dan logam tembaga, oksida bubuk, serbuk logam, oksida padat, bubuk sel bahan bakar, serbuk superkonduktor, superkonduktor logam, superkonduktivitas, dielektrik, konduktansi, konduksi, konduktivitas, konduktor , listrik konduksi, konduksi gas, isolator, konduksi ionik,
konduksi
cair,
konduksi
metalik,
nonconductor, photoconduction. 20
mho,
nonconducting,
nonconductive,
Bahan superkonduktor Keterangan Umum:
1) Sejak pengumuman superkonduktor suhu tinggi (orang yang dapat menggunakan nitrogen cair (BP77K) daripada helium cair (BP4K) sebagai pendingin a), banyak yang telah ditulis tentang menggunakan potensi mereka di wilayah yang sebelumnya tertutup untuk superkonduktor karena pertimbangan ekonomi. 2) Superkonduktivitas adalah sebuah fenomena yang terjadi dalam beberapamaterial pada sangat rendah suhu , ditandai dengan persis nol hambatan listrik dan mengesampingkan interior medan magnet (yang efek Meissner ). 3) The listrik resistivitas dari logam konduktor berkurang secara bertahap karena suhu diturunkan. Namun, dalam konduktor biasa seperti tembaga dan perak , kotoran dan cacat lainnya memaksakan batas bawah. Bahkan di dekat nol mutlak contoh nyata dari tembaga menunjukkan perlawanan bukan nol. Pada ketahanan suatu superkonduktor, di sisi lain, tetes tiba-tiba ke nol padahal bahan yang didinginkan di bawah "yang kritis" suhu. Sebuah arus listrik ferromagnetism dan garis spektrum atom , superkonduktivitas adalah kuantum mekanik konduktivitas sempurna "dalam fisika klasik. mengalir dalam suatu loop kawat superkonduktor dapat bertahan tanpa batas waktu, tanpa memiliki kekuasaan fenomena sumber. Suka. dapat ini tidak hanya dipahami sebagai idealisasi" 4) Superkonduktivitas terjadi di berbagai material, termasuk unsur sederhana seperti timah aluminium ,
berbagai
logam paduan dan
beberapa berat-doped
semikonduktor . Source: Wikipedia Superkonduktivitas tidak terjadi dalam logam mulia seperti emas dan perak, maupun dalam logam feromagnetik. Superkonduktor Bahan Kimia Senyawa Perwakilan Tersedia:
Y-Ba-Cu oksida, Bi-Pb-Sr-Ca-Cu oksida, Ba-Ca-Cu oksida, barium karbonat, oksida barium, logam barium, strontium karbonat, oksida strontium, logam strontium, oksida lantanum, logam lantanum, skandium oksida, skandium benjolan dendritik, skandium logam, oksida itrium, dendritik benjolan yttrium, logam itrium, oksida tembaga, dan logam tembaga, serbuk oksida semua, serbuk logam semua, serbuk sel bahan bakar oksida padat, 21
Superkonduktor Bahan Kimia kemurnian Khas Tersedia:
ACS grade, 99,9%, dan sampai dalam beberapa kasus 99.9999% Bahan superkonduktor Tersedia Bahan:
Ingot, target, bubuk, kawat, dan batang Bahan Superkonduktor Khas Aplikasi:
1) magnet superkonduktor adalah beberapa elektromagnet kuat paling dikenal. Mereka digunakan dalam kereta api maglev, dan NMR mesin MRI dan kemudi-balok magnet yang digunakan dalam akselerator partikel. Mereka juga dapat digunakan untuk pemisahan magnetik, dimana partikel magnetik lemah yang diambil dari latar belakang atau non-magnetik partikel kurang, seperti dalam industri pigmen. 2) Superkonduktor juga telah digunakan untuk membuat sirkuit digital (misalnya berdasarkan Single Flux Quantum teknologi yang cepat) dan RF dan microwave filter untuk BTS ponsel. 3) Superkonduktor digunakan untuk membangun sambungan Josephson yang merupakan blok bangunan dari cumi (interferensi kuantum perangkat superkonduktor), yang sensitif magnetometer paling dikenal. Seri Josephson perangkat yang digunakan untuk mendefinisikan SI volt. Tergantung pada mode operasi tertentu, sebuah persimpangan Josephson dapat digunakan sebagai detektor foton atau sebagai mixer. Perlawanan perubahan besar pada transisi dari normal ke keadaan superkonduktor digunakan untuk membangun termometer di detektor-kalorimeter foton mikro cryogenic. 4) pasar awal lainnya adalah yang timbul di mana ukuran relatif, efisiensi dan berat keuntungan dari perangkat berdasarkan HTS lebih besar daripada biaya tambahan yang terlibat. 5) aplikasi masa depan Menjanjikan termasuk performa transformator tinggi, perangkat penyimpanan listrik, transmisi tenaga listrik, motor listrik (misalnya untuk 22
penggerak kendaraan, seperti di vactrains atau kereta maglev), perangkat levitasi magnetik, dan kini Fault Limiters. Namun superkonduktivitas bergerak sensitif terhadap medan magnet sehingga aplikasi yang menggunakan alternating current (misalnya transformator) akan lebih sulit untuk mengembangkan daripada yang bergantung pada arus. Bahan konduktor yang dijumpai sehari-hari, selalu mempunyai resistansi. Hal ini disebabkan bahan-bahan tersebut mempunyai resistivitas. Seperti telah dibahas bahwa resistivitas akan mencapai harga nol pada suhu kritis (TC). Terdapat dua perangkat yang umum menggunakan super konduktor, yaitu :
a. Elektromagnet Karena konduktor tidak mempunyai kerugian yang disebabkan resistansi, maka dimungkinkan membuat selenoide dengan super konduktor tanpa kerugian yang menimbulkan panas. Selenoide dengan arus yang sangat kecil pada medan magnet nol untuk kawat yang digunakan memungkinkan membangkitkan sebuah medan magnet tipis dari lilitan. Karena dengan bahan super konduktor memungkinkan membuat elektromagnet yang kuat dengan ukuran yang kecil. Aplikasi dari elektromagnet dengan super
konduktor
antara
lain
:
komponen
Magneto
Hidro
Dinamik.
Beberapa bahan superkonduktor :
b. Elemen Penghubung Karena super konduktor mempunyai Hc dan Tc, maka dalam pemakaian super konduktor sebagai elemen penghubung dapat menggunakan pengaruh salah satu besaran di atas. Artinya suatu gawai penghubung yang menggunakan super konduktor akan dapat berubah sifatnya dari super konduktor menjadi konduktor biasa karena pengubahan suhu atau medan magnet di atas nilai kritisnya. Pemutus arus yang bekerja dipengaruhi oleh magnetik dielektrik Cryotron, misalnya digunakan pada pemutus komputer.
23
9. Perkembangan Superkonduktor Perkembangan peningkatan suhu kritis Tc pada superkonduktor ditunjukkan dalam grafik dibawah ini.
Gambar 11. Grafik Suhu Kritis terhadap tahun penemuan
Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa terjadi peningkatan dalam suhu kritis superkonduktor. Pada awalnya suhu kritis superkonduktor itu sangat rendah yaitu kurang dari 4,2 K untuk logam raksa, tetapi pada perkrmbangan selanjutnya suhu kritis dari superkonduktor itu meningkat secara perlahan– lahan hingga mencapai suhu kritis tertinggi pada suhu 138 K untuk HgBaCaCuO. Penemuan yang berkaitan dengan superkonduktor terzjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah Diamagnetisme dan efek ini kemudian dinamakan Efek Meissner. Selanjutnya ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon bersifat 24
superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga dan perak yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah superkonduktor. Pada tahun 1986 Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rüschlikon, Switzerland berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Keramik tidak menghantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian. Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi. Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0. 2Ba2Ca2Cu3O8.33.
25
10 . SUHU KRITIS
Perubahan watak bahan dari keadaan normal ke keadaan superkonduktor dapat dianalogikan misalnya dengan perubahan fase air dari keadaan cair ke keadaan padat. Perubahan watak seperti ini sama-sama mempunyai suatu suhu transisis, pada transisi superkonduktor suhu ini disebut sebagai suhu kritik Tc, pada transisi fase ada yang disebut titik didih (dari fase cair ke gas) dan titik beku (dari fase cair ke padat). Pada transisi feromagnetik suhu transisinya disebut suhu Curie. Besaran fisis yang berkaitan dengan transisi superkonduktor adalah resistivitas bahan, mari kita lihat grafik resistivitas sebagai fungsi suhu mutlak Pada suhu T > Tc bahan dikatakan berada dalam keadaan normal, ia memiliki resistansi listrik. Transisi ke keadaan normal ini bukan selalu berarti menjadi konduktor biasa yang baik, pada umumnya malah menjadi penghantar yang jelek, bahkan ada yang ekstrim menjadi isolator! Untuk suhu T < Tc bahan berada dalam keadaan superkonduktor. Di dalam eksperimen, pengukuran resistivitasnya dilakukan dengan menginduksi suatu sampel bahan berbentuk cincin, ternyata arus listrik yang terjadi dapat bertahan sampai bertahun-tahun. Resistivitasnya yang terukur tidak akan melebihi 10-25 ohm.meter, sehingga cukup beralasan bila resistivitasnya dikatakan sama dengan nol. Beberapa jenis logam dan aloi tertentu seperti: Cu, Pb, Al dan Ni-Ge menunjukkan sifat superkonduktor pada suhu yang rendah. Superkonduktor yang terdiri dari bahan logam dan aloi dikenal sebagai superkonduktor konvensional. Helium cair yang mempunyai titik didih 4K dipakai sebagai pendingin bahan superkonduktor. Oleh karena mahalnya harga helium cair, maka penyelidikan bahan superkonduktor konvensional dihentikan. Para saintis fisika tiada henti melakukan penyelidikan tentang superkonduktor, hal ini dibuktikan dengan berhasilnya menaikkan suhu transisi superkonduktor untuk bahan berbeda. Era helium cair sebagai pendingin superkonduktor telah berakhir dengan digantikannya nitrogen cair. Seperti diketahui bahwa nitrogen cair sebagai pendingin superkonduktor mempunyai titik didih 77K dan harga yang relatif lebih murah. Penggunaan nitrogen cair sebagai pendingin superkonduktor dibuktikan dengan ditemukan bahan superkonduktor YBa2Cu3O7-δ dengan suhu transisi, Tc = 92K oleh
26
grup riset di Univ. Alabama & Houston yang dikoordinasi oleh: Paul Chu dan K. Wu. (1987). Saat ini, bahan superkonduktor yang mempunyai suhu transisi tertinggi adalah bahan Hg- Ba-Ca-Cu-O dengan Tc = 140 K (Chu, C.W. et al. 1993). Oleh karena bahan berasaskan CuO (kuprum oksida) mempunyai suhu transisi yang lebih tinggi jika dibandingkan
dengan
superkonduktor
konvensional,
maka
para
saintis
yang
mengkhususkan penyelidikan di bidang superkonduktor sependapat untuk menyebut bahan superkonduktor yang berasaskan CuO sebagai Superkonduktor Suhu Tinggi (High Temperature Superconductor). B. Sifat Superkonduktif Secara umum suatu bahan dikatakan Superkonduktor apabila mempunyai sifat-sifat berikut: - Tanpa resistivitas (hambatan nol) untuk semua suhu dibawah suhu kritis. - Medan magnetik di dalam bahan superkonduktor sama dengan nol. Menurut
teori
Bardeen-Cooper-Schrieffer
(BCS),
kehilangan
resistan
dalam
superkonduktor disebabkan pada temperatur yang rendah muatan pembawa yang terdiri dari pasangan elektron yang disebut pasangan Cooper dapat bergerak tanpa mengalami proses yang menghasilkan resistan. Pasangan Cooper terbentuk adalah hasil interaksi elektron dengan getaran kisi kristal (fonon). Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh H. Kamerlingh Onnes di Universitas Leiden Belanda pada tahun 1911. Superkonduktivitas suatu bahan akan lenyap bila temperatur bahan lebih tinggi dari suhu kritis, bila bahan berada pada medan magnet yang cukup kuat atau mengalirkan arus dengan kerapatan tinggi. Kekuatan medan magnet kritis (Hc), Rapat arus kritis (Jc), dan Suhu kritis (Tc), merupakan variabel yang paling bergantung satu sama lainnya. Apabila bahan superkonduktor diberi medan magnet luar yang diperbesar, maka pada suatu nilai medan magnet tertentu, sifat superkonduktor tersebut akan hilang. Nilai atau besar medan magnet pada suatu bahan kehilangan sifat superkonduktornya disebut medan magnet kritis (Hc).
27
Penemuan lainnya yang berkaitan dengan superkonduktor terjadi pada tahun 1933. Walter Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa suatu superkonduktor akan menolak medan magnet. Sebagaimana diketahui, apabila suatu konduktor digerakkan dalam medan magnet, suatu arus induksi akan mengalir dalam konduktor tersebut. Prinsip inilah yang kemudian diterapkan dalam generator. Akan tetapi, dalam superkonduktor arus yang dihasilkan tepat berlawanan dengan medan tersebut sehingga medan tersebut tidak dapat menembus material superkonduktor tersebut. Hal ini akan menyebabkan magnet tersebut ditolak. Fenomena ini dikenal dengan istilah diamagnetisme dan efek ini kemudian dikenal dengan efek Meissner.
Efek Meissner ini sedemikian kuatnya sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya. Dengan berlalunya waktu, ditemukan juga superkonduktor-superkonduktor lainnya. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Sebagai contoh, karbon juga bersifat superkonduktor dengan Tc 15 K. Hal yang ironis adalah logam emas, tembaga, dan perak, yang merupakan logam konduktor terbaik bukanlah suatu superkonduktor. Pada tahun 1986 terjadi sebuah terobosan baru di bidang superkonduktivitas. Alex Müller and Georg Bednorz, peneliti di Laboratorium Riset IBM di Rischlikon,
28
Switzerland, berhasil membuat suatu keramik yang terdiri dari unsur Lanthanum, Barium, Tembaga, dan Oksigen, yang bersifat superkonduktor pada suhu tertinggi pada waktu itu, 30 K. Penemuan ini menjadi spektakuler karena keramik selama ini dikenal sebagai isolator. Keramik tidak mengantarkan listrik sama sekali pada suhu ruang. Hal ini menyebabkan para peneliti pada waktu itu tidak memperhitungkan bahwa keramik dapat menjadi superkonduktor. Penemuan ini membuat keduanya diberi penghargaan hadiah Nobel setahun kemudian. Penemuan demi penemuan di bidang superkonduktor kini masih saja dilakukan oleh para peneliti di dunia. Penemuan lainnya yang juga fenomenal adalah berhasil disintesisnya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K. Pada bulan Februari 1987, ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K. Penemuan ini menjadi penting karena dengan demikian dapat digunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena, suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi. Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini adalah 138 K. Superkonduktor kini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang. Hambatan tidak disukai karena dengan adanya hambatan maka arus akan terbuang menjadi panas. Apabila hambatan menjadi nol, maka tidak ada energi yang hilang pada saat arus mengalir. Penggunaan superkonduktor di bidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train. Kereta api ini melayang di atas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km per jam.
29
11. Medan Magnet Kritik Tinggi rendahnya suhu transisi Tc dipengaruhi banyak faktor. Seperti tekanan yang dapat menurunkan titik beku air, suhu kritik superkonduktor juga bisa turun dengan hadirnya medan magnet yang cukup kuat. Kuat medan magnet yang menentukan harga Tc ini disebut medan kritik (Hc). Kita lihat grafik ketergantungan Tc terhadap kuat medan magnet pada dibawah ini.
Walaupun Pb bersuhu kritik normal (tanpa medan magnet) 7,2 K, apabila ia dikenai medan H = 4,8 ´ 104 A/m misalnya, suhu kritiknya turun menjadi 4 K. Artinya dengan medan sbesar itu pada suhu 5 K pun Pb masih bersifat normal. Medan kritiknya ini dapat dinyatakan dengan persamaan :
Hc (0) adalah harga maksimum Hc yaitu harga pada suhu 0 K. Medan kritik ini tidak harus berasal dari luar, tapi juga bisa ditimbulkan oleh medan internal, yaitu jika ia diberi aliran arus listrik. Untuk superkonduktor berbentuk kawat beradius r, arus kritiknya dinyatakan oleh aturan Silsbee :
30
terbatas terhadap medan magnet dari luar dan arus listrik yang bisa diangkutnya. Kalau harga-harga kritik ini dilampaui, sifat superkonduktor bahan akan lenyap dengan sendirinya. Ambil contoh untuk kawat Pb beradius 1 mm pada suhu 4 K, agar ia tetap bersifat superkonduktor ia tidak boleh menerima medan magnet lebih besar dari 48000 A/m atau mengangkut arus listrik lebih dari 300 A. Pada ukuran dan suhu yang sama Nb3Sn mampu mengangkut 12500 A, oleh sebab itulah secara teknis superkonduktor tipe II lebih baik pakai. Sebagai perbandingan YBCO pada suhu 77 K dapat mengangkut arus sebesar 530 A, cukup lumayan! Naiknya suhu operasi mempunyai nilai ekonomis, karena biaya pendinginan menjadi lebih murah dibandingkan helium cair (untuk menjaga suhu 4 K). Satu liter He harganya US$ 4 (Rp.7000) sedangkan satu liter N2 cuma 25 cent (Rp.450), padahal dalam prakteknya penguapan 1 liter N2 setara dengan penguapan 25 liter He.
12. Efisiensi Sangat Tinggi Penggunaan superkonduktor yang sangat luas tentu saja dibidang listrik. Generator yang dibuat dari superkonduktor memiliki efisiensi sebesar 99 persen dan ukurannya jauh lebih kecil dibandingkan dengan generator yang menggunakan kawat tembaga. Suatu perusahaan Amerika, American Superconductor Corp diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 juta Watt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik. Untuk transmisi listrik, Pemerintah Amerika Serikat dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel listrik bawah tanah yang terbuat dari tembaga. Dengan menggunakan kabel superkonduktor, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat. 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga mengakibat efisiensi sebesar 7.000 persen dari segi tempat.
31
Di bidang komputer,
superkonduktor digunakan
untuk
membuat
suatu
superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis. Di bidang militer, HTSSQUID digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. Superkonduktor juga digunakan untuk membuat suatu motor listrik dengan tenaga 5.000 tenaga kuda. Berdasarkan perkiraan yang kasar, perdagangan superkonduktor di dunia diproyeksikan akan berkembang senilai 90 trilyun dollar AS pada tahun 2010 dan 200 trilyun dollar AS pada tahun 2020. Perkiraan ini tentu saja didasarkan pada asumsi pertumbuhan yang linear. Apabila superkonduktor baru dengan suhu kritis yang lebih tinggi telah ditemukan, pertumbuhan di bidang superkonduktor akan terjadi secara luar biasa.
13. Teori BCS Teori tentang superkonduktor yang lebih terinci melibatkan mekanika kuantum yang dalam, diajukan oleh Barden, Cooper dan Schrieffer pada tahun 1975 dikenal sebagai teori BCS yang akhirnya memenangkan hadiah Nobel pada tahun 1972. Dalam teori ini dikatakan bahwa elektron-elektron dalam superkonduktor selalu dalam keadaan berpasang-pasangan dan seluruhnya berada dalam keadaan kuantum yang sama, pasangan-pasangan ini disebut pasangan Cooper. Kita bandingkan dengan elektron konduksi dalam konduktor biasa. Di sini elektron bergerak sendiri-sendiri dan akan kehilangan sebagian energinya jika ia terhambur oleh kotoran (impurities) atau oleh phonon, phonon adalah kuantum energi getaran kerangka (lattice) kristal bahan. Elektron tersebut akan menimbulkan distorsi terhadap kerangka kristal sehingga menimbulkan daerah tarikan. Tarikan ini dalam superkonduktor pada suhu rendah bisa mengalahkan tolakan Coulomb antar elektron, sehingga dengan tukar menukar phonon dua elektron akan membentuk ikatan menjadi pasangan Cooper. Oleh karena keadaan kuantum mereka semuanya sama, suatu elektron tidak dapat terhambur tanpa mengganggu pasangannya, padahal pada suhu T < Tc getaran kerangka tidak memiliki cukup energi untuk mematahkan ikatan pasangan tersebut. Akibatnya mereka tahan terhadap hamburan, jadilah bahan tersebut superkonduktor. I.Vortex Gejala superkonduktivitas merupakan gejala hilangnya hambatman pada material pada suhu rendah. Dimana material tersebut menolak medan magnetik yang 32
dikenakan
padanya
sehingga tidak ada
medan magnetik
di dalam material
superkonduktor. Namun seberapa besar medan tersebut dapat menembus bahan superkonduktor ditentukan oleh panjang penetrasi, yang didefinisikan sebagai: Dimana Dari persamaan
Ginzburg-Landau
telah
diperkenalkan
panjang
koheren, yang
didefinisikan sebagai: Dimana panjang koheren tersebut merupakan jari-jari vortex pada superkonduktor tipe 2. Vortex pada material superkonduktor menampilkan kelakuan kesetimbangan kompleks, yang meliputi fasa liquid, cristaline, dan fasa glass. Teori BCS (dinamai menurut penciptanya, Berdeen, Cooper , dan Schrieffer )
adalah teori yang menjelaskan superkonduktor konvensional, kemampuan beberapa logam pada suhu rendah untuk mengkonduksi listrik tanpa hambatan. Teori BCS memandang superkonduktivitas sebagai sebuah efek mekanika kuantum makroskopik. Dia mengusulkan bahwa elektron dengan spin berlawanan dapat menjadi berpasangan, membentuk pasangan Cooper. Dalam banyak superkonduktor, interaksi menarik antara elektron (dibutuhkan untuk berpasangan) dibawa tidak langsung oleh interaksi antara elektron dan "lattice" kristal bergetar ( phonon).
14. Aplikasi Superkonduktor Teknik pengujian ultrasonik telah membuka peluang baru kepada para penderita tumor otak dimana dengan pengujian ultrasonik, tumor di dalam otak dapat dikesan. Teknik ini juga mengurangkan penggunaan sinar-X di dalam beberapa metode kedokteran yang ternyata penggunaan sinar-X amat berbahaya terhadap jaringan (tissue) tubuh di badan manusia dan juga kepada wanita hamil. Berdasarkan kepada prinsip gema pulsa ini juga sistem sonar dicipta. Sistem sonar adalah teknik dimana penggunaan gelombang elektromagnet di dalam sistem radar digantikan dengan ultrasonik. Sistem sonar digunakan dalam menentukan posisi sebuah kapal selam ketika waktu perang. Tetapi kini digunakan pula untuk menentukan bentuk muka bumi di dasar lautan dan juga kelompok-kelompok ikan untuk tujuan nelayan. Gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke dasar lautan akan terpantul apabila ia tiba di dasar. 33
Ketidakseragaman permukaan dasar lautan akan melahirkan variasi pantulan pulsa dan melalui gema yang terhasil, parit, jurang, dan juga gunung-gunung di dasar lautan dapat dipetakan. Waktu yang diambil oleh pulsa untuk kembali ke pada transduser pengobservasi dari transduser pemancar akan membolehkan kedalaman lautan di sesuatu kawasan itu dapat dianggarkan hingga ke angka yang paling tepat. Variasi gema pulsa juga digunakan oleh bot-bot nelayan untuk mendeteksi kumpulan ikan di bawah permukaan air. Aplikasi lainnya adalah : • Kereta Magnet (Maglev, Magnetic Levitation Train) Di Jepang, kereta api supercepat ini diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train, dimana kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph (550 km/jam). • Generator listrik super-efisien. Bayangkan pembangkit-pembangkit listrik bisa berefisiensi tinggi. Berapa milyar uang negara yang bisa di hemat? Sebagai perbandingan, untuk transmisi listrik, pemerintah AS dan Jepang berencana untuk menggunakan kabel superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga. Menurut perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga.
• Supercomputer Jangankan Pentium Core 2 Duo, ratusan kali lebih cepat dari processor PC tercepat saat ini pun bisa dibuat dengan superkonduktor. Bahkan di bidang militer, HTS-SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) telah digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan ranjau laut. • Kedokteran Diciptakannya alat MRI, sebuah alat pencitra Gema Magnetik. Penggunaan superkonduktor di bidang transportasi memanfaatkan efek Meissner, yaitu pengangkatan magnet oleh superkonduktor. Hal ini diterapkan pada kereta api supercepat di Jepang yang diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev train. Kereta api
34
ini melayang di atas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, 343 mph atau sekitar 550 km per jam. 15. Superkonduktor Berparitas Ganjil
Superkonduktor juga memiliki berbagai aplikasi praktis. Aplikasi-aplikasi superkonduktor
termasuk
magnet
superkonduktor
yang
telah
memungkinkan
pengembangan MRI resolusi tinggi yang penting untuk dunia medis dan kawat superkonduktor yang nantinya memungkinkan distribusi daya listrik ke rumah-rumah bebas kehilangan daya di perjalanan. Berdasarkan teori yang sampai saat ini diterima, bahan menjadi superkonduktor saat elektron-elektron dalam bahan membentuk pasangan yang disebut pasangan Cooper. Pasangan-pasangan elektron yang terbentuk ini seperti pasangan-pasangan di lantai dansa yang akan bergerak seirama musik yang mengiringi. Gerakan seirama ini yang menghasilkan penghantaran arus listrik bebas hambatan yang disebut keadaan superkonduktor.
Setiap pasangan Cooper dapat dianggap seolah memiliki jam internal yang menandai waktu atau fasa pasangan tersebut. Bila sesuatu yang dapat dianalogikan dengan jarum jam pasangan Cooper menunjukkan angka 12, fasa pasangan Cooper bernilai 0o, bila menunjuk jam 6 fasanya 180o. Berdasarkan karakteristik fasa ini
35
fisikawan mengategorikan superkonduktor: bila beda fasa antara dua pasangan Cooper yang bergerak berlawanan 0o superkonduktor berparitas genap, dan bila beda fasanya 180o dihasilkan superkonduktor berparitas ganjil. Superkonduktor yang ditemukan selama ini, baik superkonduktor di unsur, paduan logam, maupun superkonduktor senyawa-senyawa oksida tembaga merupakan superkonduktor berparitas genap.
Superkonduktor dalam SrRu2O4 yang sejak awal ditemukan oleh Yoshiteru Maeno di Jepang pada tahun 1994, telah memberi kejutan karena merupakan superkonduktor oksida pertama yang tidak mengandung tembaga, kini kembali memberi kejutan. Superkonduktor SrRu2O4 ternyata juga berparitas ganjil. Sebenarnya paritas ganjil dalam SrRu2O4 telah diramalkan oleh Maurice Rice dan Manfred Sigrist di Switzerland, dan secara terpisah oleh G Baskaran di India. Superkonduktor berparitas ganjil
akan
berperi
laku
berbeda
dengan
superkonduktor
berparitas
genap.
Superkonduktor berparitas ganjil selain akan memperluas spektrum kegunaan superkonduktor, dibayangkan ke depan mungkin akan digunakan untuk aplikasi khusus, misalnya dalam riset untuk mengembangkan computer kuantum.
16. Superkonduktor Keramik
Bahan superkonduktor suhu tinggi yang memiliki bahan dasar keramik secara teoritis belum dapat dijelaskan tuntas. Ia tidak bisa digolongkan ke dalam tipe I maupun II karena ada beberapa sifatnya yang unik. Bentuk kristalnya termasuk golongan perovskite , suatu bentuk kristal kubus yang cukup populer. Rumus umum molekul
perovskite adalah ABX3 , dimana A dan B adalah kaiton logam dan X adalah anion non logam. Banyak bahan elektronis yang memiliki bentuk perovskite ini, misalnya PbTiO3 dan PbZrO3 yang bersifat piezoelektrik kuat sehingga baik digunakan untuk pressuregauge. Superkonduktor suhu tinggi ini ternyata berupa perovskite yang cacat. Misalnya YBCO yang ditemukan oleh Chu Chingwu cs. dari Universitas Houston berbentuk 3 kubus perovskite dengan rumus molekul YBa2Cu3O6,5 , yang menunjukkan defisiensi atom oksigen sebagai anionnya (mestinya ada 9 atom). Nama lain untuk YBCO ini adalah 1-2-3, menunjukkan perbandingan cacah atom Y, Ba dan Cu di dalam kristalnya.
36
Atom-atom tembaganya terletak pada suatu lapisan inilah arus listrik lewat dalam bahan YBCO. Struktur yang demikian memiliki andil yang besar bagi sifat superkonduktivitas suhu tinggi, terbukti senyawa barium-kalium-bismuth-oksida buatan AT & T Bell Laboratoies (1988) cuma memiliki Tc = 30 K, senyawa ini tentu saja tidak memiliki atom tembaga sebagai lapisan penghantar elektron. Elektron-elektron juga dalam keadaan berpasangan, hal ini telah dibuktikan dengan dijumpainya flukson yang merembes di dalamnya. Flukson adalah kuantum fluks magnetik dalam superkonduktor, besarnya kira-kira 2 x 10-15 weber, dalam perhitungan besarnya ini bersesuaian dengan kehadiran partikel bermuatan listrik dua kali muatan elektron. Watak-wataknya yang masih perlu penjelasan teoritis adalah tarikan antar electron dalam pasangan Cooper yang ternyata masih cukup kuat walaupun suhu transisinya tinggi. Padahal suhu yang tinggi menyebabkan bertambahnya cacah phonon, sehingga ikatan elektron itu seharusnya akan hancur karenanya. dalam kaitan ini peranan kerangka kristal harus kembali dipertanyakan. Mungkin saja kotoran di dalamnya yang justru mampu meredam interaksi phonon atau gangguan-gangguan lain termasuk medan magnet yang besar agar ia tetap stabil sebagai superkonduktor. Sifat lain yang tidak menguntungkan dari YBCO adalah mudahnya ia melepaskan oksigen ke lingkungannya, padahal dengan berkurangnya atom oksigen sifat superkonduktornya akan hilang. Lagi pula ia terlalu rapuh untuk dibentuk menjadi kawat. Lebih jauh lagi Philip W. Anderson (pemenang hadiah Nobel 1977 bidang Fisika) mengemukakan peranan besaran spin dalam fenomena superkonduktor suhu tinggi ini, pernyataan ini telah didukung oleh data percobaan MIT oleh RJ Birgeneau. Sungguh merupakan sebuah tantangan besar bagi para ahli dari berbagai bidang untuk memahami lebih jauh fenomena superkonduktor jenis baru ini. Tampaknya bahan ini akan semakin merajai teknologi pada masa yang akan datang, yaitu abad XXI.
17. Koherensi Koherensi adalah salah satu sifat gelombang yang dapat menunjukkan interferensi, yaitu gelombang tersebut selalu sama baik fase maupun arah penjalarannya. Koherensi juga merupakan parameter yang dapat mengukur kualitas suatu interferensi (derajat koherensi). Untuk menghasilkan frinji-frinji interferensi, sangat diperlukan 37
syarat-syarat agar gelombang-gelombang yang berinterferensi tersebut tetap koheren selama periode waktu tertentu. Jika salah satu gelombang berubah fasenya, frinji akan berubah menurut waktu (Laud, 1988). Laser merupakan contoh sumber tunggal dari radiasi tampak yang koheren. Pada panjang gelombang yang lebih panjang mudah untuk menghasilkan gelombang koheren. Cahaya keluaran laser mempunyai koherensi terhadap waktu dan ruang sangat besar dibandingkan dengan sumber-sumber cahaya pada umumnya. Ada dua konsep koherensi yang tidak bergantung satu sama lain, yaitu koherensi ruang ( spatial coherence) dan koherensi waktu (temporal coherence). Koherensi ruang adalah sifat yang dimiliki dua gelombang yang berasal dari sumber yang sama, setelah menempuh lintasan yang berbeda akan tiba di dua titik yang sama jauhnya dari sumber dengan fase dan frekuensi yang sama. Hal ini mungkin terjadi jika dua berkas tersebut secara sendiri-sendiri tidak koheren waktu (menurut waktu), karena setiap perubahan fase dari salah satu berkas diikuti oleh perubahan fase yang sama oleh berkas lain. Dengan sumber cahaya biasa, hal ini hanya mungkin jika dua berkas dihasilkan oleh satu sumber. Koherensi waktu (temporal coherence) adalah sifat yang dimiliki dua gelombang yang berasal dari sumber yang sama, yang setelah menempuh lintasan yang berbeda tiba di titik yang sama dengan beda fase yang tetap. Jika beda fase berubah beberapa kali dan secara tidak teratur selama periode pengamatan yang singkat, maka gelombang dikatakan tidak koheren. Koherensi waktu dari sebuah gelombang menyatakan kesempitan spectrum frekuensinya dan tingkat keteraturan dari barisan gelombang. Cahaya koheren sempurna ekivalen dengan sebuah barisan gelombang satu frekuensi dengan spektrum frekuensinya dapat dinyatakan hanya dengan satu garis, sehingga koherensi waktu dapat menunjukkan seberapa monokromatis suatu sumber cahaya. Dengan kata lain koherensi waktu mengkarakterisasi seberapa baik suatu gelombang dapat berinterferensi pada waktu yang berbeda (Hecht, 1992). Barisan gelombang yang spektrumnya hampir terdiri dari satu frekuensi tapi lebarnya berhingga atau dengan sedikit fluktuasi amplitudo dan fase biasanya disebut quasi koheren. Panjang koherensi merupakan jarak sejauh mana gelombang dapat berinterferensi. Panjang koherensi suatu gelombang tertentu, seperti laser atau sumber lain dapat dijelaskan dari persamaan berikut: 38
dengan c L adalah panjang koherensi, c t koherensi waktu, c adalah cepat rambat cahaya, dan Dv adalah lebar spektrum (Ducharme, 2006). Pada interferometer Michelson, panjang koherensi sama dengan dua kali panjang lintasan optis antara dua lengan pada interferometer Michelson, diukur pada saat penampakan frinji sama dengan nol. Ketika movable mirror digerakkan, maka kedua berkas laser yang melewati 1 L dan 2 L
memiliki jarak lintasan yang berbeda (lihat bagan pada gambar 2.1). Sehingga beda optic masing-masing berkas adalah 1 2 L dan 2 2 L . Jadi beda lintasan optisnya adalah (Hecht, 1992):
Beberapa aplikasi membutuhkan sumber cahaya yang memiliki koherensi waktu dan koherensi ruang yang sangat tinggi. Aplikasi ini banyak digunakan untuk interferometri, holografi, dan beberapa tipe sensor optik. Untuk aplikasi lain dengan tingkat koherensi yang lebih kecil, contohnya koherensi waktu yang rendah (tetapi dikombinasikan dengan koherensi ruang yang tinggi) diperlukan untuk tomografi (optical coherence tomography), dimana tampilannya dihasilkan oleh interferometri dan resolusi
tinggi yang memerlukan koherensi waktu rendah. Derajat koherensi juga sesuai untuk tampilan laser proyeksi, aplikasi gambar dan pointer (Paschotta, 2006).
18. Sintesis Superkonduktor a. Sampel YBa2Cu3O7
Bahan-bahan yang diperlukan untuk membuat sampel YBa2Cu3O7 adalah Y2O3, BaCO3, CuO. Langkah-langkah sintesis Sampel YBa2Cu3O7 diantaranya : 1. Persiapan bahan dengan komposisi awal dengan menggunakan perbandingan molar off stokiometri.
39
2. Pencampuran dan penggerusan pertama di dalam mortar agate. Kalsinasi pada suhu 9400 C selama 24 jam. 3. Pendinginan pada suhu kamar. 4. Sintering pada suhu 9400 C. 5. Pendinginan dalam tungku.
b. Sampel BPSCCO-2223
Bahan-bahan yang diperlukan untuk melakukan sintesis bahan Sampel BPSCCO-2223 adalah Bi2O3, PbO, SrCO3, CuO, CaCO3. Langkah-langkah sintesis Superkonduktor Sampel BPSCCO-2223 terdiri dari : 1. Persiapan bahan dengan komposisi awal dengan menggunakan perbandingan molar off-stokiometri. 2. Pencampuran dan penggerusan pertama di dalam mortar agate. Kalsinasi pada suhu 8100 C selama 20 jam. 3. Penggerusan kedua. 4. Sintering pada suhu 8300 C. 5. Pendinginan dalam tungku. Selama proses pembentukan sampel tersebut, sampel akan diujikan dengan yang diarahkan untuk mengendalikan pewaktuan dari proses sintering dengan suhu pilihan adalah 8300 C. Setelah proses sintering selesai dalam waktu yang berkesesuaian (30 jam, 60 jam, 90 jam), maka akan diadakan beberapa pengujian karakteristik sampel, yaitu: 12 1. Uji Efek Meissner 2. Uji X-ray Diffraction 3. Pengukuran Suhu Kritis (Tc) 4. Pengukuran Fraksi Volume (FV)
18.1 Pengukuran Pola Difraksi Sinar-X
Untuk mengkaji hubungan antara berbagai suhu sintering 810 oC, 820 oC, dan 830oC pada suhu kalsinasi 790oC dengan pembentukan fase BPSCCO-2212 dilakukan pengukuran pola difraksi sinar-X. Masing-masing pola difraksi sinar-X dari sampelsampel tersebut ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasarkan hasil pengukuran pola difraksi 40
sinar-X (XRD) (Gambar 1) dan analisis Celref, secara umum sampel yang dihasilkan sudah membentuk fase BPSCCO-2212 yang ditandai dengan kehadiran puncak-puncak fase 2212 dan sudah terorientasi yang ditunjukkan oleh pucak-puncak dengan h = k = 0 dan l bilangan genap.
Gambar . Hasil pengukuran pola difraksi sinar-X pada sampel yang dihasilkan dengan berbagai suhu sintering 810 oC, 820 oC, 830oC pada suhu kalsinasi 790 oC. Analisis Pertumbuhan Fase BPSCCO-2212
41
Gambar .
Parameter pertumbuhan fase BPSCCO-2212 pada sampel yang dihasilkan dari berbagai suhu sintering 810 oC, 820 oC, dan 830oC dengan suhu kalsinasi 790 oC. (FV = Fraksi Volume, I = Impuritas, dan P = Derajat Orientasi)
Analisis pola difraksi sinar-X menunjukkan ada keterkaitan antara perubahan suhu sintering dengan nilai parameter pertumbuhan fase Bi-2212 (Gambar 2). Perubahan suhu sintering pada suhu kalsinasi 790oC tidak memberikan pengaruh yang linier terhadap pertumbuhan fase Bi-2212, khususnya pada Fraksi Volume dan Derajat Orientasi. Kenaikan suhu sintering tidak selalu diikuti dengan kenaikan nilai Fraksi Volume dan Derajat Orientasi. Sampel dengan suhu sintering 820oC mempunyai nilai Fraksi Volume dan Derajat Orientasi tertinggi, masing-masing 82,9% dan 29,91%. Sedangkan sampel pada suhu sintering 810oC dan 830oC mempunyai nilai Fraksi Volume dan Derajat Orientasi yang lebih rendah. Pada suhu sintering 810oC mempunyai Fraksi Volume 45,13% dan Derajat Orientasi 19,60%. Pada suhu sintering 830oC mempunyai Fraksi Volume 64,13% dan Derajat Orientasi 8,27%. Fraksi volume terendah yang dihasilkan sampel pada suhu sintering 810 oC, hal ini diduga disebabkan kurang optimumnya suhu sintering, faktor penggerusan dan pembentukan pelet yang relatif kurang baik. Penggerusan akan meningkatkan homogenitas bahan (ukuran partikel dan pencampuran bahan), sehingga efektivitas reaksi untuk membentuk benih-benih senyawa (prekusor) dapat ditingkatkan. Pembentukan pelet akan lebih mengoptimalkan reaksi padatan (solid reaction) (Diantoro, 1997). Secara
42
umum pada semua sampel BPSCCO-2212 tidak ada impuritas fase 2223, hal ini disebabkan selama proses sintering tidak terjadi peralihan fase atau transformasi fase. Transformasi dapat langsung dari kristal 2212 yang terbentuk terlebih dahulu menjadi struktur kristal 2223 melalui insertion lapisan pelengkap Ca dan Cu-O atau fase 2212 yang sudah terbentuk, dalam kondisi sintering yang tepat, fase 2212 akan terdekomposisi menjadi fase 2201 dan 2223 (Grivel dan kawan-kawan, 1996). Dengan demikian, suhu sintering yang digunakan 810 oC, 820 oC, dan 830oC merupakan daerah pertumbuhan fase Bi-2212.
18.2 Analisis SEM ( Scanning Electron Microscopy)
Gambar .
Hasil perekaman foto SEM pada sampel yang mempunyai Fraksi Volume dan Derajat Orientasi tertinggi (suhu sintering 820oC).
Pengukuran SEM (Gambar 3) hanya dilakukan pada sampel dengan nilai Fraksi Volume dan Derajat Orientasi tertinggi. Berdasarkan hasil perekaman foto SEM pada sampel dengan suhu sintering 820oC, secara umum telah menunjukkan adanya lapisan yang tersusun searah (terorientasi). Susunan lempengan lebih baik seperti lapisan yang bertumpuk dan membentuk sususan kristal yang terarah (terorientasi). Ruangan kosong antar lempengan (void ) relatif lebih sedikit.
43
19. Sifat Thermal Material 19.1 Perhitungan Einstein
Einstein memecahkan masalah panas spesifik dengan menerapkan teori kuantum. Ia menganggap padatan terdiri dari N atom, yang masing-masing bervibrasi (osilator) secara bebas pada arah tiga dimensi, dengan frekuensi fE . Mengikuti hipotesa Planck tentang terkuantisasinya energi, energi tiap osilator adalah
dengan n adalah bilangan kuantum, n = 0, 1, 2,....Jika jumlah osilator tiap status energi adalah En dan E 0 adalah jumlah asilator pada status 0, maka sesuai dengan fungsi Boltzmann
Energi rata-rata osilator adalah
Dengan N atom yang masing-masing merupakan osilator bebas yang b erosilasi tiga dimensi, kita dapatka total energi internal
Panas spesifik adalah
Frekuensi fE , yang kemudian disebut frekuensi Einstein, ditentukan dengan cara mencocokkan kurva dengan data-data eksperimental. Hasil yang diperoleh adalah bahwa pada temperatur rendah kurva Einstein menuju nol jauh lebih cepat dari data eksperimen.
19.2 Perhitungan Debye
Penyimpangan ini, menurut Debye, disebabkan oleh asumsi yang diambil Einstein bahwa atom-atom bervibrasi secara bebas dengan frekuensi sama, fE . Analisis yang perlu 44
dilakukan adalah menentukan spektrum frekuensi g ( f ) dimana g ( f )df didefinisikan sebagai jumlah frekuensi yang diizinkan yang terletak antara f dan ( f + df ) (yang berarti jumlah osilator yang memiliki frekuensi antara f dan f + df ). Debye melakukan penyederhanaan perhitungan dengan menganggap padatan sebagai medium merata yang bervibrasi dan mengambil hipotesa spectrum gelombang berdiri sepanjang kristal sebagai pendekatan pada vibrasi atom.
dengan cs kecepatan rambat suara dalam padatan. Debye juga memberi postulat frekuensi osilasi maksimum, fD, karena jumlah keseluruhan frekuensi yang diizinkan tidak akan melebihi 3 N ( N adalah jumlah atom yang bervibrasi tiga dimensi). Panjang gelombang minimum adalah λ D = cs / fD tidak lebih kecil dari jarak antar atom dalam kristal. Dengan mengintegrasi g ( f )df kali energi rata-rata yang diberikan oleh (11.8) ia memperoleh energi internal untuk satu mole volume Kristal
Jika didefinisikan hfD / kT ≡ θ D /T , dimana θ D adalah apa yang disebut temperature Debye, maka panas spesifik menurut Debye adalah
Atau
dengan D( D /T ) θ adalah fungsi Debye yang didefinisikan sebagai
45
Walaupun fungsi Debye tidak dapat diintegrasi secara analitis, namun dapat dicari nilainilai limitnya
Dengan nilai-nilai limit ini, pada temperatur tinggi cv mendekati nilai yang diperoleh Einstein.
sedangkan pada temperatur rendah
19.3 Phonon
Dalam analisisnya, Debye memandang padatan sebagai kumpulan phonon karena perambatan suara dalam padatan merupakan gejala gelombang elastis. Spektrum frekuensi Debye yang dinyatakan pada persamaan sering disebut spektrum phonon. Phonon adalah kuantum energi elastik analog dengan photon yang merupakan kuantum energi elektromagnetik.
19.4 Kontribusi Elektron
Hanya elektron di sekitar energi Fermi yang terpengaruh oleh kenaikan temperatur dan elektron-elektron inilah yang bisa berkontribusi pada panas spesifik. Pada temperatur tinggi, elektron menerima energi thermal sekitar kBT dan berpindah pada tingkat energi yang lebih tinggi jika tingkat energi yang lebih tinggi kosong. Energi elektron pada tingkat Fermi, EF , rata-rata mengalami kenaikan energi menjadi (EF kBT ) + yang kemungkinan besar akan berhenti pada posisi tingkat energi yang lebih rendah dari itu.
46
Gambar: Distribusi pengisian tingkat energi pada T > 0oK
EF pada kebanyakan metal adalah sekitar 5 eV; sedangkan pada temperatur kamar kBT adalah sekitar 0,025 eV. Jadi pada temperatur kamar kurang dari 1% elektron
valensi yang dapat berkontribusi pada panas spesifik. Jika diasumsikan ada sejumlah N (kBT / EF ) elektron yang masing-masing berkontribusi menyerap energi sebesar kBT /2, maka kontribusi elektron dalam panas spesifiik adalah
dengan N adalah jumlah elektron per mole. Jadi kontribusi elektron sangat kecil dan naik secara linier dengan naiknya temperatur.
Panas Spesifik Total . Panas spesifik total adalah
Dengan menggunakan persamaan (11.18) dan (11.20) untuk temperatur rendah, dapat dituliskan
Jika cv/T di plot terhadap T2 akan diperoleh kurva garis lurus yang akan memberikan nilai γ′ dan A.
47
Gb.11.2. Kurva cv/T terhadap T 2. Panas Spesifik Pada Tekanan Konstan, cp . Hubungan antara cp dan cv diberikan dalam
thermodinamika
V adalah volume molar, αv dan β berturut-turut adalah koefisien muai volume dan
kompresibilitas yang ditentukan secara eksperimental.
cp untuk beberapa beberapa material termuat dalam Tabel-11.1.
19.5 Pemuaian Koefisien muai volume, αv, adalah tiga kali koefisien muai panjang, α L. Pengukuran muai α L dilakukan pada tekanan konstan dengan relasi
Berikut ini diuraikan analisis koefisien muai panjang dengan menggunakan model Debye, yang melibatkan kapasitas panas molar cv, kompresibilitas β, dan volume molar V .
48
dengan γ adalah konstanta Gruneisen. γ, α L , dan cp untuk beberapa material tercantum dalam Tabel/ Tabel 1. cp, α L, γ, untuk beberapa material
19.6 Konduktivitas Thermal
Laju perambatan panas pada padatan ditentukan oleh kondktivitas panas, σT , dan gradien temperatur, dt /dT . Jika didefinisikan q sebagai jumlah kalori yang melewati satu satuan luas (A) per satuan waktu ke arah x maka
Tanda minus pada (11.27) menunjukkan bahwa aliran panas berjalan dari temperature tinggi ke temperatur rendah. Persamaan konduktivitas panas ini mirip dengan persamaan konduktivitas listrik di bab sebelunmya. Konduktivitas thermal dalam kristal tunggal tergantung dari arah kristalografis. Dalam rekayasa praktis, yang disebut konduktivitas thermal merupakan nilai ratarata konduktivitas dari padatan polikristal yang tersusun secara acak. Tabel-1 memuat konduktivitas panas beberapa macam material. Pada 49
temperatur kamar, metal memiliki konduktivitas thermal yang baik dan konduktivitas listrik yang baik pula karena transfer panas pada metal berlangsung karena peran elektron-bebas. Pada material dengan ikatan ion ataupun ikatan kovalen, di mana elektron kurang dapat bergerak bebas, transfer panas berlangsung melalui phonon. Walaupun phonon bergerak dengan kecepatan suara, namun phonon memberikan konduktivitas panas yang jauh di bawah yang diharapkan. Hal ini disebabkan karena dalam pergerakannya phonon selalu berbenturan sesamanya dan juga berbenturan dengan ketidak-sempurnaan kristal. Sementara itu dalam polimer perpindahan panas terjadi melalui rotasi, vibrasi, dan translasi molekul.
Tabel 2. σT untuk beberapa material pada 300oK
19.7 Konduktivitas Thermal Oleh Elektron
Dengan menggunakan pengertian klasik, kontribusi elektron dalam konduktivitas panas dihitung sebagai berikut. Aplikasi hukum ekuipartisi gas ideal memberikan energi kinetik
electron Jika kita turunkan relasi ini terhadap x yaitu arah rambatan panas, akan kita dapatkan
Jika L adalah jalan bebas rata-rata elektron, maka transmisi energi per electron adalah
50
Kecepatan thermal rata-rata elektron adalah μ dan ini merupakan kecepatan ke segala arah secara acak. Jika dianggap bahwa probabilitas arah kecepatan adalah sama untuk semua arah, maka kecepatan rata-rata untuk suatu arah tertentu (arah x misalnya) adalah ⅓μ. Kecepatan ini memberikan fluksi atau jumlah elektron per satuan luas persatuan waktu sebesar nμ/3 dengan n adalah kerapatan elektron. Jika jumlah energi yang ter transfer ke arah x adalah Q, maka
Energi thermal yang ditransfer melalui dua bidang paralel tegak-lurus arah x dengan jarak δ x pada perbedaan temperatur δT adalah
σT adalah konduktivitas panas yang dapat dinyatakan dengan
DAFTAR PUSTAKA
Darminto., Nugroho, A.A., Rusydi, A., Menovsky, A.A., dan Loeksmanto. 1999. Variasi Tekanan Oksigen dalam Penumbuhan Kristal Tunggal Superkonduktor Bi 2Sr 2CaCu2O8+δ dan Pengaruhnya. Proc ITB. Darminto. 2002. Karakteristik Fase Gelas Vorteks dalam Kristal Tunggal Superkonduktor (Bi,Pb)2Sr 2CaCu2O8+δ. Institut Teknologi Sepuluh November. Surabaya. Diantoro, M. 1997. Studi Kinetika Pembentukan Superkonduktor Sistem Bi 1,6Pb0,4Sr 2Ca2Cu3O10+δ-(2223) Melalui Prekursor Fase (Bi,Pb)-2212. Tesis (S2). KBK Fisika Material. ITB. Grivel, et. al ., 1996. Visualization of the Formation of the (Bi,Pb) 2Sr 2Ca2Cu3O10+δ phase. Supercond. Sci. Technol. Hal 555-564.
51
Tinkham, Michael (2004). Introduction to Superconductivity (2nd ed.). Dover Books on Physics. ISBN 0-486-43503-2. Tipler, Paul; Llewellyn, Ralph (2002). Modern Physics (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN www.google.mengenalsuperkonduktor. www.google.superkonduktortipe1dan2. www.google.sifatkelistrikansuperkonduktor. www.google.teoriBCS.
DAFTAR ISI
Halaman Kata pengantar ......................................................................................................
i
Daftar isi ...............................................................................................................
ii
Mengenal Superkonduktor ................................................................................
1
1.
Sejarah Singkat Superkonduktor...............................................................
4
Teori Superkonduktor........................................................................................
5
1.1
Definisi.................................................................................................. 52
5
4.
1.2
Superkonduktor.....................................................................................
5
1.3
Sifat Kelistrikan Superkonduktor.........................................................
6
1.4
Sifat Kemagnetan Superkonduktor.......................................................
7
1.5
Sifat Quantum Superkonduktor............................................................
8
3.6
Efek Meissner.......................................................................................
8
Tipe Superkonduktor...................................................................................
12
4.1
Superkonduktor Tipe 1.........................................................................
13
4.2
Superkonduktor Tipe 2.........................................................................
14
Kelompok Superkonduktor.........................................................................
16
5.1
Superkonduktor bersuhu kritis rendah..................................................
16
5.2
Jenis Superkonduktor Suhu-Tinggi.......................................................
17
6.
Suhu Pemadaman.........................................................................................
18
7.
Kegunaan Superkonduktor.........................................................................
20
8.
Bahan superkonduktor Sinonim.................................................................
20
9.
Perkembangan Superkonduktor.................................................................
24
10. Suhu Kritik...................................................................................................
26
11. Medan Magnet Kritik..................................................................................
30
12. Efisiensi Sangat Tinggi.................................................................................
31
13. Teori BCS......................................................................................................
32
14. Aplikasi Superkonduktor............................................................................
33
15. Superkonduktor Berparitas Ganjil............................................................
35
16. Superkonduktor Keramik...........................................................................
36
17. Koherensi...................................................................................................... ii 18. Sintesis Superkonduktor.............................................................................
37 39
18.1 Pengukuran Pola Difraksi Sinar X.......................................................
40
18.2 Analisis SEM........................................................................................
43
19. Sifat Thermal Material................................................................................
43
19.1 Perhitungan Einstein.............................................................................
43
19.2 Perhitungan Debye................................................................................
44
19.3 Phonon..................................................................................................
44
19.4 Kontribusi Elektron...............................................................................
46
5.
53
