BAHAN SUPERKONDUKTOR

Pengertian Bahan Superkonduktor

   Bahan superkonduktor adalah suatu bahan yang dapat mengalirkan arus listrik tanpa tahanan listrik sedikitpun (R = 0). Bahan ini terdiri dari campuran unsur-unsur tertentu yang dapat mengalirkan arus listrik tanpa adanya tahanan pada suhu yang sangat rendah. Arus yang mengalir pada rangkaian tertutup dari bahan superkonduktor akan terus mengalir selamanya.

Suhu dan Medan Magnet Kritis

   Untuk menghasilkan keadaan atau kondisi superkonduktor membutuhkan syarat yaitu suhu kritis (Tc), suhu kritis ini bervariasi dari tiap material, suhu kritis ini biasanya antara 0⁰K sampai 130⁰K, di bawah suhu kritis akan menghasilkan hambatan bernilai 0 dan bersifat diamagnetik. Dari penelitian, logam murni seperti emas atau tembaga yang di suhu ruang merupakan konduktor yang sangat baik, justru mempunyai suhu kritis yang ekstrim, di bawah 4K untuk menjadi superkonduktor. Adalah keramik yang mempunyai titik kritis cukup tinggi, di atas titik didih nitrogen cair, sehingga lebih mudah untuk diaplikasikan. Padahal keramik adalah isolator yang baik pada suhu ruang.

a) Temperatur Kritis (Tc)

   Ketika temperature bahan diturunkan dari temperatur ruang normal sampai pada batas temperature tertentu bahan ini akan memiliki sifat superkonduktor.  Temperatur bahan pada saat terjadinya perubahan sifat bahan ini dinamakan sebagai temperature kritis (Tc).

Contoh grafik Hambatan terhadap suhu pada bahan YBa2Cu3O7 atau YBCO (Yatrium-Barium-Tembaga-Oksida)  adalah sebagai berikut :

Gambar Hambatan Terhadap Suhu.

    Prinsip kerjanya adalah ketika benda atau bahan superkonduktor berada pada tempat yang memiliki derajat suhu diatas suhu rata-rata yang dimiliki bahan superkonduktor tersebut, maka sifat superkonduktornya akan rusak dan menjadi bahan konduktor biasa.

b) Medan Magnet Kritis

   Medan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga bahan superkonduktor memiliki medan magnet. Prinsip kerjanya adalah jika bahan superkonduktor yang berada dalam lingkungan medan magnet yang kuat medan magnetnya lebih kecil dari medan magnet kritis maka bahan superkonduktor tersebut akan ditolak oleh medan magnet (mengalami efek meissner), sebaliknya jika kuat medan magnet luarnya lebih besar dari medan magnet kritisnya maka bahan superkonduktor tersebut akan berubah menjadi keadaan normal (tidak mengalami efek meissner). Ketika bahan superkonduktor didinginkan di bawah temperature kritis (Tc) dan medan magnet dinaikkan secara bertahap diatas medan magnet tertentu (Hc) maka sifat superkonduktivitas bahan akan hilang sehingga menjadi bahan konduktor biasa.

c) Efek Meissner

   Ketika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 100 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol. Peristiwa ini dinamakan Efek Meissner dan merupakan krakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet. 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. 

Contoh gambar efek meissner pada Bahan Superkonduktor :

Gambar Efek Meissner

Jenis Bahan dan Tipe Superkonduktor

a) Penemuan Bahan Superkonduktor

Dalam beberapa  tahun terakhir para ilmuwan telah menemukan berbagai macam bahan yang dapat menjadi superkonduktor. Bahan-bahan tersebut antara lain:

a.       Mercury (1911): Superkonduktor pertama ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan mercury di bawah suhu transisi superkonduktor yaitu 4,2 Kelvin.

b.      Niobium Alloy (1941): Penggunaan superkonduktor dalam industri terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa niobium tin (Nb3Sn), yang menjadi superkonduktor pada suhu 18,3 Kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan magnet besar.

c.       Niobium germanium (1971): Bahan ini (Nb3Ge) memegang rekor temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.

d.      Heavy Fermion (1979): Superkonduktor 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.

e.       Cuprates (1986): Cuprates merupakan superkonduktor suhu tinggi yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 Kelvin.

f.       Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (C60) yang menjadi superkonduktor ketika didoping dengan atom logam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.

g.      HgBa2Ca2Cu3O8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini menjadi superkonduktor pada suhu 164 Kelvin.

h.      Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari superkonduktor konvensional.

i.        Iron pnictides (2006): Hideo Hosono merupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor suhu tinggi.

b) Bahan Superkonduktor

Bahan semikonduktor yang pertama ditemukan adalah raksa oleh Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Beberapa contoh bahan superkonduktor yang berhasil ditemukan dan suhu kritisnya dapat dilihat pada tabel berikut,

Tabel Bahan Superkonduktor

No	Bahan	Suhu Kritis (Tc)K	Tahun Ditemukan
1	Raksa Hg	4,2	1911
2	Timbal Pb	7,2	1913
3	Niobium nitrida	16,0	1960-an
4	Niobium-3-timah	8,1	1960-an
5	Al0,8Ge0,2Nb3	20,7	1960-an
6	Niobium germanium	23,2	1973
7	Lanthanum barium Tembaga oksida	28	1985
8	Yattrium barium tembaga oksida (1-2-3 atau YBCO)	93	1987
9	Thalium barium kalsium Tembaga oksida	125	-
10	Karbon ( C )	15	-
11	HgBa2Ca2Cu3O8	164	1995

c) Bahan Superkonduktor tidak terjadi pada :

·        Emas

·        Perak

·        Bahan ferromagnetic

d) Kelas Superkonduktor

   Kelas I, (Low Temperature Superconductor) adalah bahan yang harus berada pada suhu 

yang sangat rendah untuk memiliki sifat superkonduktor.

   Kelas II (High Temperature Superconductor) adalah bahan yang dapat berada pada suhu diatas bahan kelas I untuk menjadi superkonduktor.

e) Teori BCS

    Pemahaman tentang superkonduktivitas diteliti lebih jauh pada tahun 1957 olehtiga fisikawan Amerika, John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer, melaluiteori mereka yang disebut teori BCS. Teori BCS menjelaskan superkonduktivitas pada suhu mendekati nol mutlak. Cooper membuktikan bahwa kisi vibrasi atomsecara langsung mempengaruhi arus. Mereka memaksa electron untuk  berpasangan dan dapat melewati semua penghambat yang menimbulkan resistansi(hambatan) pada konduktor. Gabungan electron ini dikenal dengan pasanganCooper (Cooper pairs). Cooper dan teman-temannya tahu bahwa electron yang normalnya saling tolak menolak, akan mengalami tarik menarik padasuperkonduktor. Jawaban dari masalah ini ditemukan pada phonon, paketgelombang bunyi yang ada pada kisi yang bervibrasi. Walaupun vibrasi kisi ini tidak dapat didengar, perannya sebagai moderator sangat diperlukan.

f) Tipe-tipe Superkonduktor

Berdasarkan interaksi dengan medan magnetnya, maka superkonduktor dapat dibagi menjadi dua tipe yaitu Superkonduktor Tipe I dan Superkonduktor Tipe II. 

   Superkonduktor tipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer) dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. 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. Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan adalah unsur-unsur tunggal.

   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 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. Kelompok superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.

Karakteristik dan Sifat Pada Bahan Superkonduktor

  Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya. Adapun sifat dari bahan superkonduktor adalah sebagai berikut :

a) Sifat Kelistrikan Superkonduktor

   Ketika medan listrik diberikan pada bahan logam,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. 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.

b) Sifat Kemagnetan Superkonduktor

   Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka  tidak  akan  ada  medan  magnet  dalam  superkonduktor, hal  ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam, bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek ini dinamakan efek meissner

c) Sifat Quantum Superkonduktor

   Teori dasar kuantum untuk superkonduktor adalah teori BCS (1957). Teori BCS menjelaskan bahwa elektron tunggal pada bahan superkoduktor tidak dapat menghantarkan listrik melainkan harus berpasangan dan seluruhnya berada dalam keadaan kuantum yang sama, yang dikenal dgn pasangan Cooper (Cooper pairs).

Pemanfaatan Superkonduktor

   Dasar penggunaan semikonduktor adalah terbentuknya sambungan p-n (p-n juncktion), dimana semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan yang merupakan dasar terjadinya terjadinya revolusi industri akibat ditemukan transisistor oleh wiliam Shocklye, John Barden dan Walter Brattain di laboratorium Bell pada tahun 1948. Pemanfaatan superkonduktor antara lain :

a) Kabel Listrik

   Dengan menggunakan bahan superkonduktor, maka energi listrik tidak akan mengalami

disipasi karena hambatan pada bahan superkonduktor bernilai nol (lebih tepatnya mendekati 0) sehingga penggunaan energi listrik akan semaki efektif.

b) Kereta Maglev (Magnet Levitation)

   Prinsip kerja dari kereta Maglev ini adalah memanfaatkan gaya angkat magnetik pada relnya yang di akibatkan oleh efek Meissner yaitu pengankatan Magnet oleh Superkonduktor sehingga terangkat sedikit ke atas,

kemudian gaya dorong dihasilkan oleh motor induksi. Kereta ini mampu melaju dengan kecepatan 650 km\jam.

c) Magnetic Resonance Imaging

   Dipergunakan dalam bidang kedokteran. Menggunakan medan magnet dan gelombang radio sehingga lebih aman dibandingkan X-ray.

d) Superconducting Quantum Interference Device (SQUID)

   Dapat mendeteksi medan magnet sangat kecil. Dipakai mencari minyak dan mineral.

e) Generator

   Generator konvensional yang menggunakan kawat tembaga memiliki efisiensi 98,5-99,0 persen, sedangkan generator superkonduktor efisiensinya dapat mencapai 99,6 persen.

Hal ini disebabkan superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet sangat kuat sehingga generator dapat dibuat dengan ukuran lebih kecil dari yang konvensional.

Jepang telah menciptakan generator superkonduktor berdaya 70 MW.

   Nah..itulah beberapa penjelasan tentang bahan superkonduktor, semoga dapat membantu bagi sobat dalam mengerjakan tugas.