Superkonduktor

superkonduktorKita mengenal konduktor, bahan yang bisa mengantarkan sesuatu. Umumnya yang diantarkan berupa arus listrik atau panas. Pengantar panas lebih akrab bagi kita, yaitu bahan yang kalau kita panaskan di suatu titik, maka panasnya akan menjalar ke titik-titik lain melalui proses perambatan panas yang disebut konduksi. Bahan-bahan seperti besi dan almunium adalah pengantar panas yang baik, sehingga sering dipakai sebagai alat masak.

Konduktor listrik artinya bahan yang mengantarkan listrik. Kalau kita beri tegangan listrik di dua titik pada bahan tersebut maka akan terjadi arus listrik melewati bahan tadi, dari satu titik ke titik lain. Bila tidak terjadi arus maka bahan tersebut kita sebut isolator. Arus listrik pada konduktor mengalami hambatan (resistance), artinya gerak elektron di dalam konduktor itu terhambat, tertahan oleh potensial listrik, dan menimbulkan panas. Panas itu bisa kita rasakan pada peralatan listrik yang kita pakai.

Nah, superkonduktor adalah konduktor atau pengantar yang super. Artinya, arus listriknya tidak terhambat, lancar. Kalau digambarkan dengan grafik, hambatan listriknya nol. Harap dicatat bahwa bahan superkonduktor hanya berperilaku demikian pada suhu yang sangat rendah. Pada suhu kamar ia hanyalah konduktor biasa. Suhu di mana suatu bahan mulai berperilaku sebagai superkonduktor disebut suhu kritis, atau critical temperature (Tc).

superconductorSuperkonduktivitas pertama kali ditemukan oleh ilmuwan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes. Onnes menciptakan sistem suhu rendah ekstrim, mendekati nol mutlak (-273 C). Pada suhu ekstrim itu banyak gejala fisika “baru” yang muncul, yang tidak teramati pada suhu tinggi. Gejala-gejala tersebut menunjukkan sifat “asli” suatu bahan. Riset di bidang ini, kini disebut low energy physics, masih terus berlangsung hingga sekarang. Onne mendapat Hadiah Nobel di tahun 1913.

Tak lama setelah berhasil menghasilkan suhu yang sangat rendah, sekaligus membuat gas helium menjadi cair, Onnes bahwa hambatan merkuri padat turun menjadi nol pada suhu 4,2 K (-271 C). Itulah gejala superkonduktivitas yang pertama kali diamati manusia.

Apa yang terjadi dalam superkonduktor? Konduktor terdiri dari ion-ion positif yang berjajar pada titik-titik berjarak tertentu. Ciri utama bahan kondutor adalah adanya elektron bebas, yang tidak terikat pada ion-ion tadi. Elektron-elektron ini bebas mengalir seperti “cairan” di dalam konduktor. Namun sesekali elektron-elektron ini menabrak ion-ion tadi, dan itulah yang menyebabkan hambatan. Tabrakan membuat sebagian energi elektron diserap oleh ion-ion, dan menghasilkan panas.

Tapi kenapa hanya bertabrakan? Bukankah ion positif seharusnya mengikat elektron. Ya, tapi ion-ion ini sudah mengikat elektron-elektron lain, yang dikenal dengan elektron valensi. Karena sudah cukup mengikat elektron, maka elektron yang tersisa menjadi bebas.

Pada superkonduktor elektron-elektron pada “cairan” tadi tidak bergerak sendiri-sendiri, melainkan membentuk pasangan yang disebut pasangan Cooper. Berpasangan ini membuat elektron-elektron memiliki semacam tameng, artinya ada tenaga minimum yang diperlukan untuk mempengaruhinya. Ini membuat elektron tidak lagi bertabrakan dengan ion-ion, sehingga bisa mengalir lancar tanpa hambatan.

Tapi mengapa superkonduktormeissner bisa mengapung? Kejadian ini disebut efek Meissner. Pada konduktor medan magnet dapat menembus melaluinya. Sedangkan pada superkonduktor, medan magnet tidak dapat tembus. Artinya, tidak ada medan magnet di dalam bahan. Medan magnet yang dibelokkan itu menimbulkan gaya yang dapat mengangkat superkonduktor.

 

 

supercond-timeline

Setelah Onnes menemukan gejala superkondutivitas, gejala yang sama ditemukan dalam berbagai bahan lain. Namun semua bahan itu menjadi superkonduktor di bawah suhu 30 K.   Baru pada tahun 1986 2 orang ilmuwan Swiss J. Georg Bednorz dan K. Alex Müller berhasil membuat bahan alloy dengan suhu kritis superkonduktivitas di atas 30 K. Kedua ilmuwan ini mendapat Hadiah Nobel di tahun 1987 untuk bidang fisika.

Mengapa suhu 30 K ini penting? Karena suhu di bawah 30 K sangat sulit dicapai. Ini adalah suhu helium cair. Sedangkan di atas 30 K adalah suhu nitrogen cair, yang relatif mudah dicapai. Artinya, superkonduktor dengan suhu kritis di atas 30 K membuka peluang aplikasi atau pemanfaatan. Karena itu meski sebenarnya suhu kritisnya masih jauh di bawah suhu kamar, superkondutor dengan suhu kritis di atas 30 K disebut superkondutor suhu tinggi.

Karena tidak menghasilkan panas, superkonduktor dapat dialiri arus listrik yang sangat besar. Arus besar ini diperlukan dalam berbaga hal, di antaranya untuk menghasilkan medan magnet kuat. Medan magnet ini antara lain dipakai dalam alat kesehatan, yaitu MRI. Medan magnet kuat juga dapat mengapungkan beberapa jenis bahan yang bersifat diamagnet.

Salah satu riset yang saya lakukan dulu adalah penumbuhan kristal bahan dalam medan magnet kuat. Penumbuhan dalam medan magnet ini ditujukan untuk mengatur orientasi ion-ion atau molekul penyusun bahan, sehingga mempengaruhi sifat-sifat kelistrikan dan kemagnetannya saat bahan terbentuk.

 

 

 

 

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *