Sejarah Superkonduktor, Teori dan Sifat-sifatnya

1. Sejarah Superkonduktor

Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh seorang fisikawan 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 -269 ^oC. 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 ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan 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 mendapatkan 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 kumparan superkonduktor dalam suatu rangkaian tertutup dan kemudian mencabut sumber arusnya lalu mengukur arusnya satu tahun kemudian ternyata arus masih tetap mengalir. Fenomena ini kemudian oleh Onnes diberi nama superkondutivitas. Atas penemuannya itu, Onnes dianugerahi Nobel Fisika pada tahun 1913.

2. Teori Superkonduktor

Superkonduktor merupakan bahan material yang memiliki hambatan listrik bernilai nol pada suhu yang sangat rendah. Artinya superkonduktor dapat menghantarkan arus walaupun tanpa adanya sumber tegangan. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner. Resistivitas suatu bahan bernilai nol jika dibawah suhu kritisnya.

Grafik hubungan antara resistivitas terhadap Suhu

3. Sifat-sifat Superkonduktor

a) 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.

Keadaan normal Atom Kisi pada logam

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 mengakibatkan elektron bergetar.

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.

b) 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 medan magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek 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.

Diamagnetik Sempurna

c) 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 :

Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.
Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanya energi 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.
London Penetration Depth merupakan konsekuensi dari Teori BCS.

d) 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 karakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet.

London Penetration Depth

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.

e) Suhu dan Medan Magnet Kritis

Suhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran electron akan bertambah sehingga banyak Phonons yang dipancarkan. Ketika mencapai suhu kritis tertentu, maka Phonons akan memecahkan Cooper Pairs dan bahan kembali ke keadaan normal. Contoh grafik Hambatan terhadap suhu pada bahan YBa₂ Cu₃ O₇ sebagai berikut :

Grafik Hambatan terhadap Suhu

Medan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga bahan superkonduktor memiliki medan magnet. Jika medan magnet yang diberikan pada bahan superkonduktor, maka bahan superkonduktor tak akan mengalami efek meissner lagi.