Senin, 08 November 2010

Superkonduktor

A. 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 superkonduktor dapat menghantarkan arus listrik tanpa kehilangan daya sedikitpun, kawat superkonduktor tidak akan menjadi panas dengan lewatnya arus listrik. Kendala terbesar yang masih menghadang terapan superkonduktor dalam peralatan praktis sehari-hari adalah bahwa superkonduktivitas bahan barulah muncul pada suhu yang amat rendah, jauh di bawah 0 C! Dengan demikian niat penghematan pemakaian daya listrik masih harus bersaing dengan biaya pendinginan yang harus 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.

B. SUHU KRITIK
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 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).


C. Sebab Bahan
Menjadi Superkonduktor Elektron yang menjadi muatan pengangkut dan berserakan ber-reaksi dengan ion di dalam bahan dan pada suhu tertentu elektronelektron ini akan mengalami keadaan yang lebih tertib dan saling berpasangan. Pasangan-pasangan elektron ini bergerak dengan momentum yang sama tanpa mengalami sembarang proses yang dapat menyebabkan kehilangan energi. Pergerakan elektron di dalam bahan superkonduktor adalah ibarat sepasukan tentara yang berbaris rapi dan berjalan dengan kecepatan yang sama dan tidak terjadi pelanggaran diantara mereka. Hal ini yang menyebabkan elektron dapat bergerak tanpa resistan. Mekanisme superkonduktor suhu tinggi masih menjadi tanda tanya dan merupakan tugas para peneliti dan pakar sains untuk mencari jawabannya guna memecahkan masalah ini. Apa yang pasti saat ini adalah arus elektrik di dalam superkonduktor suhu tinggi terdiri dari pasangan muatan seperti yang terdapat pada superkonduktor konvensional. Persoalannya ialah, apakah interaksi yang menyebabkan muatan-muatan ini berpasangan? Mekanisme superkonduktor konvensional tidak dapat digunakan untuk superkonduktor suhu tinggi secara langsung karena teori konvensional ini membataskan suhu kritis tidak lebih daripada 30 K. Saat ini banyak penelitian yang dilakukan dan hasilnya dibandingkan dengan model yang dicadangkan untuk membongkar rahasia superkonduktor suhu tinggi sebenarnya.

D. Bahan Superkonduktor
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 :
A. UNSUR - AT AMBIENT PREASSURE Li Be Al Ti V Cr Zn Ga Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Cd In Sn La Hf Ta W Re Os Ir Pt Hg Tl Pb Th Pa U Am - ONLY UNDER HIGH PREASSURE B O Si P S Ca Sc Fe Ge As Se Br Sr Y Sb Te I Cs Ba Bi Ce Lu
B. SENYAWA Na Bi Ba Ba3 Nb Zn Mo N Mo Re V2,95Ga Nb N V3 Si Nb3 Al Nb3 Sn CuS Pb Sb
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.

E. Tipe 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) - 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) 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, 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 (*confused*) (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 218 K) - (Sn5In)Ba4Ca2Cu10Oy (*more confused*) (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 212K) - Sn5Ba4Ca2Cu10Oy (menjadi superkonduktif di suhu sekitar 200 K)

F. Aplikasi Superkonduktor
Sistem mendeteksi kecacatan ini membuat para pakar sains fisika bahan meneliti lebih jauh di dalam bidang fisika terutama untuk bahan-bahan padat. Teknik ini membenarkan kerusakan-kerusakan yang tidak dapat dilihat di dalam bahan dapat diketahui. Teknik ini juga telah dicoba dalam disiplin sains yang lain termasuk biologi. 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. 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.

G. Efek Meissner
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 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.

H. 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 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. Kelakuan kesetimbangan fasa tersebut pada superkonduktor suhu tinggi timbul dari beberapa energi yang berkompetisi: - Energi termal pada vortex liquid. - Energi interaksi vortex pada kisi vortex yang sempurna. - Pinning energi pada vortex glass (amorphous). - Coupling energi antara lapisan yang mengontrol formasi garis-garis vortex. Kriteria Lindemann untuk vortex dinyatakan sebagai: r2 >/ Cl2 a02

1 komentar:

Anonim mengatakan...

keren

Poskan Komentar