Representasi grafis dari sampel berstruktur mikro (merah) untuk pengukuran listrik pada superkonduktor nonkonvensional. Emas dan platinum digunakan untuk menghubungi. Elektron (bola hijau) berpasangan melalui fluktuasi getaran atau magnet. Kredit: B. Schröder/ HZDR
UTe2, superkonduktor nonkonvensional yang dipelajari oleh peneliti internasional, menunjukkan superkonduktivitas unik di bawah medan magnet tinggi, sehingga menawarkan potensi teknologi baru.
Pada suhu yang cukup rendah, logam tertentu kehilangan hambatan listriknya dan menghantarkan listrik tanpa kehilangan. Efek superkonduktivitas ini telah dikenal selama lebih dari seratus tahun dan dipahami dengan baik oleh superkonduktor konvensional. Namun yang lebih baru adalah superkonduktor nonkonvensional, yang cara kerjanya belum jelas.
Sebuah tim dari Pusat Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR), bersama dengan rekan-rekan dari lembaga penelitian Perancis CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatif), dari Universitas Tohoku di Jepang, dan Institut Max Planck untuk Fisika Kimia Padatan di Dresden, kini telah memperoleh wawasan baru . Para peneliti melaporkan temuan terbaru mereka di jurnal Komunikasi Alam. Mereka dapat menjelaskan mengapa material baru ini tetap bersifat superkonduktor bahkan pada medan magnet yang sangat tinggi – suatu sifat yang tidak dimiliki superkonduktor konvensional, dan berpotensi memungkinkan penerapan teknologi yang sebelumnya tidak terbayangkan.
Melacak Superkonduktivitas Inkonvensional
“Uranium ditellurida, atau UTe2 “Singkatnya, ini adalah bahan superkonduktor paling unggul,” kata Dr. Toni Helm dari High Magnetic Field Laboratory (HLD) Dresden di HZDR. “Seperti yang ditemukan pada tahun 2019, senyawa ini menghantarkan listrik tanpa kehilangan, namun dengan cara yang berbeda dibandingkan superkonduktor konvensional.”
Sejak itu, kelompok penelitian di seluruh dunia menjadi tertarik pada materi ini. Termasuk tim Helm yang selangkah lebih dekat untuk memahami materi.
“Untuk sepenuhnya mengapresiasi hype seputar material ini, kita perlu melihat lebih dekat pada superkonduktivitas,” jelas fisikawan tersebut. “Fenomena ini disebabkan oleh pergerakan elektron pada material. Setiap kali mereka bertabrakan dengan atom, mereka kehilangan energi dalam bentuk panas. Ini memanifestasikan dirinya sebagai hambatan listrik. Elektron dapat menghindari hal ini dengan mengatur dirinya dalam formasi berpasangan, yang disebut pasangan Cooper.”
Hal ini terjadi ketika dua elektron bergabung pada suhu rendah untuk bergerak melalui benda padat tanpa gesekan. Mereka kemudian memanfaatkan getaran atom di sekitar mereka sebagai semacam gelombang yang dapat mereka gunakan untuk berselancar tanpa kehilangan energi. Getaran atom ini menjelaskan superkonduktivitas konvensional.
“Namun, selama beberapa tahun sekarang juga telah diketahui superkonduktor di mana pasangan Cooper terbentuk oleh efek yang belum sepenuhnya dipahami,” kata fisikawan tersebut. Salah satu kemungkinan bentuk superkonduktivitas nonkonvensional adalah superkonduktivitas spin-triplet. Hal ini diyakini memanfaatkan fluktuasi magnet.
Ada juga logam yang elektron konduksinya saling menempel, jelas Helm. “Bersama-sama, mereka dapat melindungi magnetisme material, berperilaku sebagai partikel tunggal dengan – untuk sebuah elektron – massa yang sangat tinggi.”
Bahan superkonduktor tersebut dikenal sebagai superkonduktor fermion berat. Ute2, oleh karena itu, dapat berupa superkonduktor spin-triplet dan fermion berat, seperti yang disarankan oleh eksperimen saat ini. Yang terpenting, dia adalah juara dunia kelas berat: Sampai saat ini, tidak ada superkonduktor fermion berat lain yang diketahui masih menjadi superkonduktor pada medan magnet yang sama atau lebih tinggi. Hal ini juga diperkuat oleh penelitian ini.
Sangat Kuat Terhadap Medan Magnet
Superkonduktivitas bergantung pada dua faktor: suhu transisi kritis dan medan magnet kritis. Jika suhu turun di bawah suhu transisi kritis, resistansi turun menjadi nol dan material menjadi superkonduktor. Medan magnet eksternal juga mempengaruhi superkonduktivitas. Jika melebihi nilai kritis, efeknya akan hilang.
“Fisikawan mempunyai aturan praktis untuk hal ini,” lapor Helm: “Pada banyak superkonduktor konvensional, nilai suhu transisi dalam kelvin adalah sekitar satu hingga dua kali nilai kekuatan medan magnet kritis dalam teslas. Pada superkonduktor spin-triplet, rasio ini seringkali jauh lebih tinggi.”
Dengan studinya di UTe kelas berat2para peneliti kini telah mampu meningkatkan standar tersebut lebih tinggi lagi: Pada suhu transisi 1,6 kelvin (-271,55°C), kekuatan medan magnet kritis mencapai 73 tesla, menetapkan rasio 45 – sebuah rekor.
“Sampai saat ini, superkonduktor fermion berat kurang diminati untuk aplikasi teknis,” jelas fisikawan tersebut. “Mereka memiliki suhu transisi yang sangat rendah dan upaya yang diperlukan untuk mendinginkannya relatif tinggi.”
Namun, ketidakpekaan mereka terhadap medan magnet eksternal dapat menutupi kekurangan ini. Hal ini karena transpor arus lossless saat ini terutama digunakan pada magnet superkonduktor, misalnya pada pemindai magnetic resonance imaging (MRI). Namun medan magnet juga mempengaruhi superkonduktor itu sendiri. Bahan yang dapat menahan medan magnet yang sangat tinggi dan masih dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi merupakan sebuah langkah maju yang besar.
Perlakuan Khusus untuk Bahan yang Menuntut
“Tentu saja, UTe2 “Ini tidak bisa digunakan untuk membuat kabel elektromagnetik superkonduktor,” kata Helm. “Pertama, sifat materialnya membuatnya tidak cocok untuk upaya ini, dan kedua, bersifat radioaktif. Namun hal ini cocok untuk eksplorasi fisika di balik superkonduktivitas spin-triplet.”
Berdasarkan eksperimen mereka, para peneliti mengembangkan model yang dapat menjelaskan superkonduktivitas dengan stabilitas yang sangat tinggi terhadap medan magnet. Untuk melakukan hal ini, mereka mengerjakan sampel setebal beberapa mikrometer – hanya sebagian kecil dari ketebalan rambut manusia (sekitar 70 mikrometer). Oleh karena itu, radiasi radioaktif yang dipancarkan sampel masih jauh lebih rendah dibandingkan radiasi latar alami.
Untuk memperoleh dan membentuk sampel sekecil itu, Helm menggunakan berkas ion presisi tinggi dengan diameter hanya beberapa nanometer sebagai alat pemotong. Ute2 Ini adalah bahan yang sensitif terhadap udara. Hasilnya, Helm melakukan persiapan sampel dalam ruang hampa dan kemudian menyegelnya dengan lem epoksida.
“Untuk bukti akhir bahwa material kita adalah superkonduktor spin-triplet, kita harus memeriksanya secara spektroskopi saat material tersebut terkena medan magnet yang kuat. Namun metode spektroskopi saat ini masih mengalami kesulitan pada medan magnet di atas 40 tesla. Bersama tim lain, kami juga berupaya mengembangkan teknik baru. Pada akhirnya, ini akan memungkinkan kami memberikan bukti yang pasti,” kata Helm yakin.
Referensi: “Kompensasi pertukaran magnetik yang diinduksi lapangan sebagai kemungkinan asal usul superkonduktivitas reentrant di UTe2” oleh Toni Helm, Motoi Kimata, Kenta Sudo, Atsuhiko Miyata, Julia Stirnat, Tobias Förster, Jacob Hornung, Markus König, Ilya Sheikin, Alexandre Pourret, Gerard Lapertot, Dai Aoki, Georg Knebel, Joachim Wosnitza dan Jean-Pascal Brison, 2 Januari 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-023-44183-1
NewsRoom.id
