SUPERKONDUKTOR

BAB II

PEMBAHASAN

2.1  Teori Superkonduktor

            Superkonduktor adalah suatu material yang tidak memiliki hambatan di bawah suatu nilai suhu tertentu. Suatau superkonduktor dapat saja berupa konduktor, semikonduktor, atau suatu isolator pada keaadan ruang. Suhu yang mengubah sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut temperature krisis (Tc). Superkonduktor pertama kali ditemukan oleh fisikawan Belanda, Heike Kamerlingh Onnes, dari Universitas Leidenpada tahun 1911. Pada tanggal 10 Juli 1908 Onnes berhasil mencairkan helium dengan cara mendinginkan hingga 4 K atau - 269. Kemudian pada 1911 Onnes mulai mempelajari sifa-sifat listrik dari logam pada suhu yang sangat dingin. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun saat didinginkan di bawah suhu ruang. Akan tetapi, belum ada yang dapat mengetahui bawah hambatan yang dicapai ketika temperature logam mendekati 0 K atau nol mutlak.

            Pada tahun 1934, Gorter dan Casimir merumuskan suatu teori bedasarkan fenomena makro superkonduktor yang cukup sederhana. Teori yang dikenal sebagai model dua fluida (two-fluid model) tersebut mendasari lahirnya dua teori berdasarkan fenomena makro lain, yaitu teori London (1935) dan teori Ginzburg-Landau (1950). Teori berdasarkan fenomena mikro superkonduktor yang penting adalah teori BSC. Teori yang dikemukakan oleh J. Barden, L. Cooper dan R. Schrieffer pada tahun 1957 ini didasarkan atas adanya ikatan dua electron di dalam superkonduktor yang disebut pasangan Cooper. Pasangan electron inilah yang dianggap bertanggungjawab terhadap fenomena superkonduktivitas. Dengan menggunakan mekanika kuantum, teori ini mampu menurunkan rumus suhu kritis Tc dan beberapa besaran lain.

            Hasil kajian terhadap teori London, teori Ginzburg-Landau dan teori BSC menunjukkan bahwa teori London merupakan kasus khusus teori Ginzburg-Landau, sedangkan teori Ginzburg-Landau merupakan kasus khusus teori BCS. Sayangnya teori BCS baru berhasil diterapkan pada superkonduktor tipe I, namun masih belum sepenuhnya berhasil diterapkan pada beberapa jenis superkonduktor tipe II.

2.2 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 electron bebas. Ketika medan listrik diberikan pada bahan, electron akan mendapat percepatan. Medan listrikakan menghamburkan electron 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 electron dengan inti atom. Namun electron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari atom kisi. Efek ini dapat dijelaskan oleh Teori BCS. Ketika electron melewati kisi, inti yang bermuatan positif menarik electron yang bermuatan negative dan mengakibatkan electron bergetar.

Keadaan Superkonduktor Atom Kisi pada Logam

            Jika ada dua buah electron yang melewati kisi, electron kedua akan mendekati electron pertama karena gaya tarik dari inti atom-atom kisi lebih besar. Gaya ini melebihi gaya tolak-menolak antar electron sehingga kedua electron bergerak berpasangan.

b. Sifat Kemagnetan Superkonduktor

            Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan adamedan 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.

c. Sifat Quantum Superkonduktor

            Teori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori ini dinamakan teori BCS. Fungsi BCS menyusun pasangan partikel danini adalah bentuk lain dari pasangan partikel yang mungkin dengan teori BCS. Teori BCS menjelaskan bahwa:

1.      Interaksi tarik menarik antara electron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energy gap.

2.      Interaksi antara electron, electron dan kisi menyebabkan adanya energy gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsung ini terjadi ketika satu electron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua electron ini berinteraksi melalui deformasi kisi.

3.      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 superonduktor 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 antar 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 Pirs dan bahan kembali ke keadaan normal. Contoh grafik hambatan terhadap suhu pada bahan YBa₂Cu₃O₇ sebagai berikut:

            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.

2.3 Penerapan Superkonduktor

1. Kabel Listrik

            Dengan menggunakan bahan superkonduktor, maka energy listrik tidak akan mengalami disipasi karena hambatan pada bahan superkonduktor bernilai nol (lebih tepatnya mendekati nol) sehingga penggunaan listrik akan semakin efektif.

2. Kereta Maglev (Magnetic Levitation)

            Prinsip kerja dari kereta Maglev adalah memanfaatkan gaya angkat magnetic pada relnya sehingga terangkat sedikit ke atas, kemudian gaya dorong dihasilkan oleh motor induksi. Kereta ini mampu melaju dengan kecepatan sampai 650 km/jam.

3. Di Bidang Komputer

            Kemajuan teknologi dan mikroprosesor dimotori oleh kemajuan miniaturisasi dan kecepatan pemrosesan. Dalam satu chip komputer, yang besarnya tidak lebih dari ukuran lubang jarum, terdapat jutaan kompenen aktif yang bila diuraikan lagi akan menjadi jutaan switch yang biasanya dibuat dari bahan metal film ataupun emas.

4. Magneting Resonance Imaging

            Magneting Resonance Imaging digunakan dalam bidang kedokteran. Penggunaan medan magnet dan gelombang radio lebih aman dibandingkan X-ray.

5. Superconducting Quantum Interference Device (SQUID)

            Superconduting Quantum Interference Device (SQUID) dapat mendeteksi medan magnet sangat kecil. Biasanya dipakai untuk mencari magnet minyak dan mineral.