Kristal no.3/Juli/1989 1

MENGENAL SUPERKONDUKTOROleh : Sugata Pikatan

Superkonduktivitas suatu bahan bukanlah hal yang baru. Sifat ini diamati untukyang pertama kalinya pada tahun 1911 oleh fisikawan Belanda H.K. Onnes, yaitu ketika iamenemukan bahwa air raksa murni yang didinginkan dengan helium cair ( suhu 4,2 K )kehilangan seluruh resistansi listriknya. Sejak itu harapan untuk menciptakan alat-alatlistrik yang ekonomis terbuka lebar-lebar. Bayangkan, dengan resistansinya yang nol itusuperkonduktor dapat menghantarkan arus listrik tanpa kehilangan daya sedikitpun, kawatsuperkonduktor tidak akan menjadi panas dengan lewatnya arus listrik.

Kendala terbesar yang masih menghadang terapan superkonduktor dalam peralatanpraktis sehari-hari adalah bahwa superkonduktivitas bahan barulah muncul pada suhu yangamatrendah, jauh di bawah 0 °C! Dengan demikian niat penghematan pemakaian dayalistrik masih harus bersaing dengan biaya pendinginan yang harus dilakukan. Oleh sebabitulah para ahli sampai sekarang terus berlomba-lomba menemukan bahan superkonduktoryang dapat beroperasi pada suhu tinggi, kalau bisa ya pada suhu kamar.

SUHU KRITIKPerubahan 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 transisisuperkonduktor suhu ini disebut sebagai suhu kritik Tc, pada transisi fase ada yang disebuttitik didih (dari fase cair ke gas) dan titik beku (dari fase cair ke padat). Pada transisiferomagnetik suhu transisinya disebut suhu Curie. Besaran fisis yang berkaitan dengantransisi superkonduktor adalah resistivitas bahan, mari kita lihat grafik resistivitas sebagaifungsi suhu mutlak pada gambar 1.

Gambar 1.

Pada suhu T > Tc bahan dikatakan berada dalam keadaan normal, ia memilikiresistansi listrik. Transisi ke keadaan normal ini bukan selalu berarti menjadi konduktorbiasa yang baik, pada umumnya malah menjadi penghantar yang jelek, bahkan ada yangekstrim menjadi isolator! Untuk suhu T < Tc bahan berada dalam keadaansuperkonduktor. Di dalam eksperimen, pengukuran resistivitasnya dilakukan denganmenginduksi suatu sampel bahan berbentuk cincin, ternyata arus listrik yang terjadi dapat

Kristal no.3/Juli/1989 2

bertahan sampai bertahun-tahun. Resistivitasnya yang terukur tidak akan melebihi 10-25

ohm.meter, sehingga cukup beralasan bila resistivitasnya dikatakan sama dengan nol.Perkembangan bahan superkonduktor dari saat pertama kali ditemukan sampai

sekarang dapat diikuti pada tabel di bawah ini.Bahan Tc (K) Ditemukan tahunRaksa Hg (α ) 4,2 1911Timbal Pb 7,2 1913Niobium nitrida 16,0 1960-anNiobium-3-timah 18,1 1960-anAl0,8Ge0,2Nb3 20,7 1960-anNiobium germanium 23,2 1973Lanthanum bariumtembaga oksida 28 1985Yttrium barium tembagaoksida (1-2-3 atau YBCO) 93 1987Thalium barium kalsiumtembaga oksida 125 1987

Keluarga superkonduktor yang terdiri dari unsur-unsur tunggal yang dipeloporioleh temuan Onnes, disebut superkonduktor tipe I atau superkonduktor konvensional, adakira-kira 27 jenis dari tipe ini. Suatu hal yang menarik, bahwa unsur-unsur yang pada suhukamar merupakan konduktor banyak diantara mereka yang tidak memiliki sifatsuperkonduktor pada suhu rendah, contohnya tembaga, perak dan golongan alkali.

Pada tahun 1960-an lahirlah keluarga superkonduktor tipe II, yang biasanya berupakombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagimerupakan larutan padatan. Sifatnya agak berbeda dengan tipe I karena suhu kritiknyarelatif lebih tinggi, sehingga tipe II ini sering disebut superkonduktor yang alot. Semua alatyang telah menerapkan superkonduktor dewasa ini menggunakan bahan tipe II ini,alasannya akan menjadi jelas kemudian.

Pada tahun 1985 di laboratorium riset IBM di Zurich, A.Muller dan G.Bednorzmemulai era baru bagi ilmu bahan superkonduktor. Mereka menemukan bahwa senyawakeramik tembaga oksida dapat memiliki sifat superkonduktor pada suhu yang relatif tinggi,rekor suhu kritik yang saat ini sudah mencapai 125 K juga dipegang oleh golongan ini.Perkembangan selanjutnya tampak agak seret, para ahli sendiri masih meributkan adatidaknya batas suhu kritik yang mungkin dicapai. Ahli riset di Institut Teknologi Californiameramalkan bahwa suhu kritik superkonduktivitas tidak akan pernah melampaui 250 K,jadi masih cukup jauh di bawah suhu kamar. Apakah benar demikian, kita tunggu sajahasil-hasil penelitian berikutnya.

Kristal no.3/Juli/1989 3

Gambar 2

MEDAN MAGNET KRITIKTinggi rendahnya suhu transisi Tc dipengaruhi banyak faktor. Seperti tekanan yang

dapat menurunkan titik beku air, suhu kritik superkonduktor juga bisa turun denganhadirnya medan magnet yang cukup kuat. Kuat medan magnet yang menentukan harga Tcini disebut medan kritik (Hc). Kita lihat grafik ketergantungan Tc terhadap kuat medanmagnet pada gambar2.

Walaupun Pb bersuhu kritik normal (tanpa medan magnet) 7,2 K, apabila iadikenai medan H = 4,8 ×× 104 A/m misalnya, suhu kritiknya turun menjadi 4 K. Artinyadengan medan sbesar itu pada suhu 5 K pun Pb masih bersifat normal. Medan kritiknya inidapat dinyatakan dengan persamaan :

Hc(T) = Hc (0) [ 1 - (T/Tc)2 ]

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 medaninternal, yaitu jika ia diberi aliran arus listrik. Untuk superkonduktor berbentuk kawatberadius r, arus kritiknya dinyatakan oleh aturan Silsbee :

Ic = 2 π . r . Hc

Jadi pada suhu tertentu ( T < Tc ) , bahan superkonduktor memiliki ketahananyang terbatas terhadap medan magnet dari luar dan arus listrik yang bisa diangkutnya.Kalau harga-harga kritik ini dilampaui, sifat superkonduktor bahan akan lenyap dengansendirinya. Ambil contoh untuk kawat Pb beradius 1 mm pada suhu 4 K, agar ia tetapbersifat superkonduktor ia tidak boleh menerima medan magnet lebih besar dari 48000A/m atau mengangkut arus listrik lebih dari 300 A. Pada ukuran dan suhu yang samaNb3Sn mampu mengangkut 12500 A, oleh sebab itulah secara teknis superkonduktor tipeII lebih baik pakai.

Sebagai perbandingan YBCO pada suhu 77 K dapat mengangkut arus sebesar 530A, cukup lumayan! Naiknya suhu operasi mempunyai nilai ekonomis, karena biayapendinginan menjadi lebih murah dibandingkan helium cair (untuk menjaga suhu 4 K).

Kristal no.3/Juli/1989 4

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.

EFEK MEISSNERSifat kemagnetan superkonduktor diamati oleh Meissner dan Ochsenfeld pada

tahun 1933, ternyata superkonduktor berkelakuan seperti bahan diamagnetiksempurna, iamenolak medan magnet sehingga ia pun dapat mengambang di atas sebuah magnet tetap.Jadi kerentanan magnetnya (susceptibility) χχ = -1, bandingkan dengan konduktor biasayang χχ = -10-5. Fenomena ini disebut efek Meissner yang tersohor itu.

Jadi satu keunggulan lagi bagi superkonduktor terhadap konduktor biasa. Ia tidaksaja menjadi perisai terhadap medan listrik, tapi juga terhadap medan magnet, artinyamedan listik dan magnet sama dengan nol di dalam bahan superkonduktor.

Tetapi pada tahun 1935 London bersaudara melalui penelitian sifat elektrodinamiksuperkonduktor mendapatkan bahwa intensitas medan magnet masih dapat menembusbahan superkonduktor walaupun hanya sebatas permukaan saja, ordenya hanya beberaparatus angstrom. Sifat rembesan ini dinyatakan oleh parameter λλ yang disebut kedalamanrembesan London. Medan magnet ternyata berkurang secara eksponensial terhadapkedalaman sesuai dengannya.

B (x) = Bo exp -(x / λ )

Bo adalah medan di luar dan x adalah kedalamannya. λλ membesar dengan naiknya suhu, di Tc harga λλ tak berhingga besar, sehingga medanmagnet mampu menerobos ke seluruh bagian bahan tersebut atau dengan perkataan lainsifat superkonduktor telah hilang digantikan dengan keadaan normalnya.

Teori London ini juga memberikan kesimpulan bahwa dalam bahan supekonduktorarus listrik akan mengalir di bagian permukaannya saja. Hal ini berbeda dengan arus listrikdalam konduktor biasa yang mengalir secara merata di seluruh bagian konduktor.

Perbandingan watak magnetik pada keadaan normal, superkonduktor tipe I dantipe II adalah seperti pada gambar 3.

Gambar 3.

Kristal no.3/Juli/1989 5

Pada tipe ii terdapat daerah peralihan yaitu antara Hcl dan Hc , pada saat itu struktur bahanterjadi dari daerah normal yang berupa silinder-silinder kecil, disebut fluksoid karena bisaditerobos fluks magnet, yang dikelilingi sepenuhnya oleh daerah superkonduktor.

TEORI BCSTeori tentang superkonduktor yang lebih terinci melibatkan mekanika kuantum

yang dalam, diajukan oleh Barden, Cooper dan Schrieffer pada tahun 1975 dikenalsebagai teori BCS yang akhirnya memenangkan hadiah Nobel pada tahun 1972.

Dalam teori ini dikatakan bahwa elektron-elektron dalam superkonduktor selaludalam keadaan berpasang-pasangan dan seluruhnya berada dalam keadaan kuantum yangsama, pasangan-pasangan ini disebut pasangan Cooper.

Kita bandingkan dengan elektron konduksi dalam konduktor biasa. Di sini elektronbergerak sendiri-sendiri dan akan kehilangan sebagian energinya jika ia terhambur olehkotoran (impurities) atau oleh phonon, phonon adalah kuantum energi getaran kerangka(lattice) kristal bahan. Elektron tersebut akan menimbulkan distorsi terhadap kerangkakristal sehingga menimbulkan daerah tarikan. Tarikan ini dalam superkonduktor pada suhurendah bisa mengalahkan tolakan Coulomb antar elektron, sehingga dengan ukar menukarphonon dua elektron justru akan membentuk ikatan menjadi pasangan Cooper. Olehkarena keadaan kuantum mereka semuanya sama, suatu elektron tidak dapat terhamburtanpa mengganggu pasangannya, padahal pada suhu T < Tc getaran kerangka tidakmemiliki cukup energi untuk mematahkan ikatan pasangan tersebut. Akibatnya merekatahan terhadap hamburan, jadilah bahan tersebut superkonduktor.

SUPERKONDUKTOR KERAMIKBahan superkonduktor suhu tinggi yang memiliki bahan dasar keramik secara

teoritis belum dapat dijelaskan tuntas. Ia tidak bisa digolongkan ke dalam tipe I maupun IIkarena ada beberapa sifatnya yang unik.

Bentuk kristalnya termasuk golongan perovskite, suatu bentuk kristal kubus yangcukup populer. Rumus umum molekul perovskite adalah ABX3 , dimana A dan B adalahkaiton logam dan X adalah anion non logam. Banyak bahan elektronis yang memilikibentuk perovskite ini, misalnya PbTiO3 dan PbZrO3 yang bersifat piezoelektrik kuatsehingga baik digunakan untuk pressure-gauge.

Superkonduktor suhu tinggi ini ternyata berupa perovskite yang cacat. MisalnyaYBCO yang ditemukan oleh Chu Chingwu cs. dari Universitas Houston berbentuk 3kubus perovskite dengan rumus molekul YBa2Cu3O6,5 , yang menunjukkan defisiensi atomoksigen 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. Atom-atomtembaganya terletak pada suatu lapisan inilah arus listrik lewat dalam bahan YBCO.Struktur yang demikian memiliki andil yang besar bagi sifat superkonduktivitas suhutinggi, terbukti senyawa barium-kalium-bismuth-oksida buatan AT & T Bell Laboratoies(1988) cuma memiliki Tc = 30 K, senyawa ini tentu saja tidak memiliki atom tembagasebagai lapisan penghantar elektron.

Elektron-elektron juga dalam keadaan berpasangan, hal ini telah dibuktikan dengandijumpainya flukson yang merembes di dalamnya. Flukson adalah kuantum fluks

Kristal no.3/Juli/1989 6

magnetik dalam superkonduktor, besarnya kira-kira 2 x 10-15 weber, dalam perhitunganbesarnya ini bersesuaian dengan kehadiran partikel bermuatan listrik dua kali muatanelektron.

Watak-wataknya yang masih perlu penjelasan teoritis adalah tarikan antar elektrondalam pasangan Cooper yang ternyata masih cukup kuat walaupun suhu transisinyatinggi. Padahal suhu yang tinggi menyebabkan bertambahnya cacah phonon, sehinggaikatan elektron itu seharusnya akan hancur karenanya. dalam kaitan ini peranan kerangkakristal harus kembali dipertanyakan. Mungkin saja kotoran di dalamnya yang justrumampu meredam interaksi phonon atau gangguan-gangguan lain termasuk medan magnetyang besar agar ia tetap stabil sebagai superkonduktor.

Sifat lain yang tidak menguntungkan dari YBCO adalah mudahnya ia melepaskanoksigen ke lingkungannya, padahal dengan berkurangnya atom oksigen sifatsuperkonduktornya 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 bidanguntuk memahami lebih jauh fenomena superkonduktor jenis baru ini. Tampaknya bahan iniakan semakin merajai teknologi pada masa yang akan datang, yaitu abad XXI.

Bahan dan Rujukan :

- Hazen, robert M. : Perovskites, Scientific American vol.258, hlm 74-81, Juni 1988.- Horgan, John : Theory - resistant, Scientific American vol.264,hlm 20-22,

Desember 1988.- Wolsky, A,M., Glese, R.F., Daniels, E.J. : The New Superconductor : Prospects

for Application, Scientific American vol.266,hlm 60-69, Februari 1989.- Omar, M.Ali : Elementary Solid State Physics, Addison-Wesley, 1975.- Dewsberry, R., Hine, R., Potter, R. : Matter and Molecules, Penguin Education,

1973.

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *