17 Fakta Superkonduktor

Tahun 2011 merupakan peringatan 100 tahun penemuan superkonduktivitas atau superkonduktor. Hal ini menunjukan bahwa superkonduktor telah diketahui umat manusia selama 107 tahun.

Berikut akan dijelaskan secara singkat beberapa hal penting mengenai suoerkonduktor.

1. Superkonduktor adalah material yang memiliki resistansi (tahanan) listrik nol saat didinginkan hingga suhu yang sangat rendah. Hal ini menunjukan bahwa superkonduktor dapat menghantarkan arus listrik tanpa adanya pengurangan atau kehilangan energi. Dengan kata lain arus listrik dapat mengalir selamanya tanpa adanya pengurangan energi dalam penghantar yang memiliki sifat superkonduktor.

Sifat dasar unik dari beberapa bahan ini ditemukan oleh ilmuwan Belanda Heike Kamerlingh Onnes di Universitas Leiden.

2. Pada tingkat mikroskopik, elektron dalam superkonduktor berperilaku sangat berbeda dari logam normal. Elektron superkonduktor saling menyatu, sehingga memungkinkan mereka melakukan perjalanan dengan mudah dari satu ujung material ke material lainnya.

3. Sekitar jam 4 sore pada tanggal 8 April 1911, Heike Kamerlingh Onnes mendinginkan merkuri atau air raksa sampai 4,19 derajat Kelvin dan beliau menemukan bahwa resistensi yang dimiliki nol.

Dua tahun kemudian Heike Kamerlingh Onnes menerima Hadiah Nobel dalam bidang Fisika untuk pencapaian yang mengesankan ini.

4. Pada tanggal 10 Juli 1908, Heike Kamerlingh Onnes juga pertama kali membuat helium cair. Helium menjadi cair pada 4,2 K dan merupakan pendingin pilihan untuk superkonduktor suhu rendah.

5. Superkonduktivitas sudah menyentuh dunia melalui penggunaannya di akselerator partikel, magnet MRI (magnetic resonance imaging), dan alat analisis kimia seperti spektroskopi NMR (magnetic magnetic resonance).

6. Sebelum Heike Kamerlingh Onnes berhasil membuat helium cair, suhu terendah yang tersedia bagi peneliti adalah 14 K yang dapat dilakukan dengan menggunakan hidrogen padat.

7. Heike Kamerlingh Onnes awalnya menyebut penemuannya sebagai "supra konduktivitas" namun kemudian diganti dengan "superkonduktivitas," istilah yang kita gunakan saat ini.

8. Percobaan pertama Heike Kamerlingh Onnes pada ketahanan pada suhu rendah difokuskan pada emas dan platinum. Dia kemudian beralih ke merkuri karena lebih mudah untuk dibuat dalam bentuk murni. Pemikiran ilmiah pada saat itu menyatakan bahwa logam yang sangat murni kemungkinan besar akan menunjukkan ketahanan nol pada suhu cairan helium.

Setahun setelah menemukan superkonduktivitas dalam merkuri murni, Heike Kamerlingh Onnes bereksperimen dengan paduan merkuri emas dan menemukannya juga menjadi superkonduktor pada 4,2 K.

9. Eksperimen Heike Kamerlingh Onnes pada 8 April 1911, berhasil menemukan transisi sifat superfluida helium cairan. Superfluida merupakan sifat cairan yang tidak viskositas. Cairan yang memiliki sifat superfluida akan mengalir tak terkendali, bahkan bisa mengalir ke atas sisi wadahnya.

10. Pada tahun 1986, Georg Bednorz dan Alex K. Mueller dari IBM Zurich Research Laboratory menemukan bahwa bahan berbasis lantanum akan menjadi superkonduktor pada suhu sekitar  35 K.

11. Pada tahun 1987, Paul Chu dari University of Houston mengganti yttrium di senyawa Bednorz dan Mueller dan menghasilkan itrium-barium-tembaga-oksida yang mempunyai suhu transisi 92 K.

Keberhasil ini memicu kegembiraan yang luar biasa di komunitas ilmiah karena dua alasan yaitu:

1. Adanya harapan untuk mencapai superkonduktivitas pada suhu kamar.

2. Bahan yang dihasilkan merupakan bahan pertama yang bisa menjadi superkonduktor dengan menggunakan nitrogen cair sebagai pendingin, bukan helium cair.

BACA JUGA: Emas: 28 Fakta Menyilaukan Mata Tentang Emas

Dibandingkan dengan helium, nitrogen jauh lebih melimpah, lebih mudah diproduksi, dan lebih mudah ditangani. Ilmuwan sering menjelaskan perbedaannya dengan mengatakan, "Biaya helium cair sebesar wiski scotch, tapi nitrogen cair lebih murah daripada bir."

12. Apa yang mencegah penggunaan bahan-bahan ini secara lebih luas adalah kenyataan bahwa superkonduktor yang kita ketahui hanya beroperasi pada suhu yang sangat rendah. Dalam elemen sederhana misalnya superkonduktivitas mati di hanya 10 Kelvin (-263 °C). Pada senyawa yang lebih rumit, seperti itrium barium tembaga oksida (YBa₂Cu₃O₇), superkonduktivitas dapat bertahan pada suhu yang lebih tinggi, sampai 100 Kelvin (-173 °C).

13. Para ilmuwan bermimpi untuk menemukan bahan di mana sifat superkonduktif dapat digunakan pada suhu kamar, tapi ini adalah tugas yang menantang. Suhu berubah cenderung menghancurkan lem yang mengikat elektron menjadi pasangan superkonduktor, yang kemudian mengembalikan material kembali ke keadaan metalik yang membosankan.

Salah satu tantangan besar di lapangan muncul dari kenyataan bahwa kita belum terlalu mengerti tentang lem ini, kecuali dalam beberapa kasus terbatas.

14. Jika fisikawan mampu mencapai tujuan superkonduktivitas suhu kamar dalam bahan yang mudah dipadukan dengan kabel, teknologi baru yang penting akan segera menyusul. Sebagai permulaan, perangkat yang menggunakan listrik akan menjadi jauh lebih efisien dan mengkonsumsi lebih sedikit daya.

15. Mengangkut listrik jarak jauh juga akan menjadi lebih mudah, yang sangat berguna untuk aplikasi energi terbarukan - dan beberapa telah mengusulkan kabel superkonduktor raksasa yang menghubungkan Eropa dengan energi surya di Afrika Utara.

16. Semua material yang menunjukan sifat superkonduktor pada suhu rendah akan memiliki suatu sifat yang dinamakan Efek Meissner.

Pada tahun 1933 Meissner dan Ochsenfiel, dua ahli fisika Jerman, menemukan bahbwa superkonduktor mampu menolak medan magnetik yang mengenainya. Gaya tolak yang ditimbulkan terjadi melalui proses sebagai berikut.

Apabila pelet superkonduktor didekati oleh medan magnet yang berbentuk tablet, magnet akan menginduksi arus super (supecurrent) pada permukaan superkonduktor. Arus super ini akan menginduksi medan magnetik pada superkonduktor.

Arus ini terus mengalir meskipus magnet berhenti bergerak. Medan magnetik yang timbul pada permukaan superkonduktor bertolakan dengan medan magnet dari magnet yang digunakan.

Hal ini analog dengan tolakan yang timbul antara kutub-kutub utara atau kutub-kutub selatan dari dua magnet batang ketika didekatkan. Magnet yang berbentuk batang akan mengalami levitasi (levitation) yaitu mengalami gaya tolak magnetik yang arahnya ke atas dan gaya grafitasi yang arahnya ke bawah sehingga magnet tersebut mengapung pada ketinggian tertentu di atas pelet superkonduktor pada posisi di mana kekuatan gaya tolak dan gaya grafitasi adalah sama. 

Gaya tolak dan gaya gravitasi yang terjadi dapat diilustrasikan menggunakan gambar berikut.

Gambar Efek Meissner ditunjukkan dengan melayangnya magnet di atas pelat superkonduktor yang didinginkan menggunakan nitrogen cair. (Sumber gambar: wanibesak.wordpress.com).

17. Kenyataan bahwa superkonduktor akan melayang di atas magnet yang kuat juga menciptakan kemungkinan untuk kereta kecepatan ultra cepat yang efisien yang melayang di atas jalur magnetik, seperti hoverboard Marty McFly di Back to the Future.

Insinyur Jepang telah bereksperimen dengan mengganti roda kereta dengan superkonduktor besar yang menahan kereta beberapa sentimeter di atas lintasan. Gagasan ini bekerja secara prinsip, namun menderita kenyataan bahwa kereta api perlu membawa tangki helium cair mahal dengan mereka untuk menjaga kedinginan superkonduktor.

SUMBER RUJUKAN

-- Michael Sutherland. 2015. Explainer: What is the Superconductor. Online. diakses pada Senin, 26 Februari 208.

--Argonne National Laboratory. 2011. 10 things you may not know about superconductivity. Online. diakses pada Senin, 26 Februari 2018.