superkonduktor

Munculnya Superkonduktor

Pada konduktor biasa energi dari arus listrik terbuang karena electron yang membawa arus bertabrakan dengan ion logam konduktor. Sebaliknya, pada superconductor electron membentuk pasangan cooper (cooper pair) dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal sebagai kondensasi bose-einstein. Aliran cooper pair ini bergerak sebagai satu entitas. Untuk mengeluarkan satu cooper pair dari aliran ini, electron harus didorong ke energy quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.

Pentingnya Suhu Bagi Superkonduktor

Kebanyakan superconductor saat ini bergantung pada helium cair sebagai pendingin. Pendingin yang sama digunakan oleh heike kamerlingh onnes ketika ia menemukan fenomena superconductivity yang hampir satu abad yang lalu. Helium cair yang mendidih pada suhu 4,2 kelvin menambah biaya dan kompleksitas yang cukup besar untuk membuat sebuah sistem. Superconductor yang paling banyak digunakan adalah niobium alloy. Niobium alloy dapat menjadi superconductor pada suhu 18 kelvin (dalam keadaan tidak adanya medan magnet). Pada alat-alat yang melibatkan medan magnet yang atau kepadatan arus tinggi, superconductor memerlukan pendingin ekstra untuk mempertahankan superkonduktivitas-nya. Magnet niobium alloy yang sangat kuat milik large hadron collider, misalnya, beroperasi pada suhu 2,9 kelvin. Material baru yang dapat berfungsi dengan baik di atas titik didih helium cair akan merevolusi aplikasi superconductor.

Selain memiliki hambatan listrik nol, bagian dalam superkonduktor juga tidak dapat ditembus medan magnet. Sifat ini disebut diamagnetisme sempurna. Efek ini dapat membuat sebuah magnet melayang di atas superkonduktor atau, sebuah superkonduktor di atas magnet. Superkonduktor juga dapat melayang di bawah magnet. Superconductor tipe 2 memungkinkan fluks magnet untuk menembus mereka dalam tabung tipis.

Perkembangan Superkonduktor

Mercury (1911): Superconductor pertama ditemukan oleh heike kamerlingh onnes. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan mercury di bawah suhu transisi superconductor yaitu 4,2 kelvin. 

Niobium alloy (1941): Penggunaan superconductor dalam industri terjadi setelah tahun 1961. Saat itu, para ilmuwan menemukan bahwa niobium tin (nb3sn), yang menjadi superconductor pada suhu 18,3 kelvin, dapat membawa arus yang tinggi dan tahan terhadap medan magnet besar.

Niobium germanium (1971): Bahan ini (nb3ge) memegang rekor temperatur transisi tertinggi antara tahun 1971 hingga tahun 1986.

Heavy fermion (1979): Superconductor heavy fermion seperti uranium platina (upt3) sangat luar biasa karena memiliki secara efektif memiliki electron ratusan kali massa biasa mereka. Teori konvensional tidak dapat menjelaskan sifat superconductivity materi ini.

Cuprates (1986): Cuprates merupakan superconductor suhu tinggi yang pertama. Bahan-bahan keramik ini dapat didinginkan dengan nitrogen cair, yang mendidih pada suhu 77 kelvin.

Fullerenes (1991): Solid kristal terbuat dari buckyballs (c60) yang menjadi superconductor ketika didoping dengan atom logam alkali seperti kalium, rubidium dan cesium.

Hgba2ca2cu3o8 (1995 ): Didoping dengan talium, cuprate ini memiliki paling suhu transisi tertinggi pada tekanan atmosfer. Pada tekanan tinggi bahan ini menjadi superconductor pada suhu 164 kelvin.

Magnesium diboride (2001): Suhu transisi yang luar biasa tinggi dari magnesium diboride merupakan kasus luar biasa dari superconductor konvensional.

Iron pnictides (2006): Hideo hosono merupakan penemu senyawa ini. Senyawa ini merupakan jenis kedua superkonduktor suhu tinggi.

Aplikasi Superkonduktor pada Magnetic Resonance Imaging/MRI
Pada tahun 2003 tiga orang ilmuwan diberi Nobel Fisika yakni Alexei abrikosov, Anthony legget dan Vitally Ginzburg, akibat temuan mereka mengenai perkembangan teori superkonduktor. Mereka menemukan aplikasi superkonduktor, yakni sebuah alat pencitra/pendiagnosa yang disebut Magnetic Resonance Imaging / MRI.
Super konduktor adalah suatu sifat pada bahan yang tidak memiliki hambatan pada suhu di bawah titik tertentu. Sebenarnya suatu bahan dapat berupa konduktor, semikonduktor ataupun insulator, tergantung suhu yang mengenai bahan tersebut. Selain itu dia akan menjadi superkonduktor pada temperatur dibawah suhu kritis.

Telah diketahui bahwa suatu hambatan pada logam akan menurun secara bertahap jika suhu diturunkan secara bertahap pula. Berdasarkan pengetahuan tersebut, banyak ilmuwan yang melakukan penelitian lebih lanjut mengenai sifat tersebut. Hingga pada suatu waktu seorang ilmuwan dari Belanda bernama Heike Kamerlingh Onnes, menemukan superkonduktor suatu bahan. Onnes berhasil mencairkan helium hinggak 4 K atau – 269⁰c. Kemudian ia mempelajari sifat-sifat kelistrikannya. Para ilmuwan lain memperkirakan bahwa elektron yang mengalir pada konduktor akan berhenti mengalir pada suhu 0 mutlak, namun Onnes telah membuktikan pada suhu tersebut hambatan menghilang.
Superkonduktor dapat dijelaskan dengan menggunakan teori BCS (Berdeen, Cooper, dan Schriffer). Ketiga ilmuwan tersebut menjelaskan gejala superkonduktifitas dengan pasangan elektron, yang sering disebut dengan pasangan cooper. Pasangan elektron dibentuk oleh pasangan ion-ion positif dalam logam, yang mengakibatkan arus listrik akan bergerak lebih merata sehingga terjadilah superkonduktivitas. Gejala ini menolak medan magnet dari luar selama medan magnet luar tidak terlalu tinggi(efek Meissener). Bila medan magnet luar melebihi batas kritis, maka superknduktivitas menghilang. Ini adalah superkonduktor tipe I, untuk tipe II tidak menunjukkan efek Meissener.
MRI yang ditemukan ketiga ilmuwan tersebut, mempunyai pencitraan dengan resolusi sangat tinggi, melebihi CT SCAN, yang keduanya dapat digunakan sebagai pendiagnose otak manusia. Sistem MRI terdiri dari magnet(komponen alat utama), komputer, peralatan pemancar gelombang radio, dan komponen skunder lainnya. Magnet yang digunakan sebesar 0.5-2 Tesla.(1 T = 10000 Gauss). Gradiennya 18 dan 27 militesla. Medan magnet utama dimasukkan dalam pasien dalam keadaan stabil dan dengan medan magnet berkekuatan besar, gradiennya membuat magnet utama berubah-ubah. Pasien harus berada pada pusat medan magnet secara tepat. Bersamaan dengan denyut-denyut energi gelombang radio, pindaian dapat menemukan titik sangat kecil dalam tubuh.
Seperti yang diketahui, kandungan air dalam tubuh manusia mencapai 2/3 bobot manusia. Di mana terdapat perbedaan kandungan air pada organ-organ manusia. Proses patologi tersebut di atas akan mencerminkan perubahan kandungan air ini dengan gambar MRI. Di man a air adalah milekul yang tersusun dari atom-atom hidrogen dan oksigen. Inti-inti atom H berperan sebagai jarum mikroskopis. Ketika medan magnet kuat mengenai tubuh, inti-inti atom H memiliki arah teratur. Bila diberi denyut gelombang radio yang spesifik untuk atom H, maka kandungan energi inti-inti atom akan berubah. Kemudian gema terjadi ketika inti-inti atom tersebut kembali pada keadaan semula. Di sinilah dapat diketahui konsep-konsep fisika statistik, mengenai distribusi partikel dalam atom.
Perbedaan osilasi kecil inti-inti atom H terdeteksi dengan komputer dan membentuk gambar 3D yang mencerminkan struktur kimia jaringan, termasuk kandungan air dan pergerakan molekul-molekul air. Hasil tersebut menggambarkan lebih rinci mengenai jaringan-jaringan dan organ-organ manusia.

Aplikasi Superkonduktor

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). Dan membuat kereta ini merupakan kereta tercepat di dunia dengan daya tempuh yang sangat cepat. Itulah salah satu dari sekian banyak contoh alat yang menggunakan kegunaan superkonduktor di dunia ini.

Berbagai teori dan konsep dari para pakar ilmuan, professor, peneliti melakukan analisis dan penelitian yang komperehensif tentang bidang tersebut. Riset yang mereka adakan adalah wujud daripada pendayagunaan daya kreatifitas dan rasa keingintahuan yang belum pernah pudar di pikiran mereka. Maka, untuk menghasilkan penemuan yang maksimal juga butuh proses untuk menjabarkan dan menguji cobanya.

Superkonduktor telah lama ditemukan, akan tetapi pendayagunaan darinya masih baru-baru ini diketemukan. Korelasi dengan bidang keilmuan yang kami miliki ialah dimana kita bias mengaktualisasikan pikiran dan aplikasi tindakan real untuk kehidupan sekarang ini.

Akselerator partikel seperti relativistic heavy ion collider (rhic) dan large hadron collider. Gambar berikut ini menunjukkan penggunaan superkonduktor pada rhic 

Sebagai gyroscopes dan detektor medan magnet dalam gravity probe b satellite. Gyroscopes adalah suatu alat untuk mengukur atau mempertahankan orientasi, berdasarkan prinsip-prinsip kekekalan momentum sudut. Bentuk dari gravity probe b.

Atau untuk magnetic resonance imaging (mri). Magnetic resonance imaging (mri) adalah suatu teknik pencitraan medis memvisualisasikan struktur internal dan fungsi tubuh. Bentuk dari devais magnetic resonance imaging.

Seiring dengan penyempurnaan proses fabrikasi kawat cuprate, keterbatasan superconductor cuprates berkurang. Perusahaan-perusahaan kini sedang mengembangkan sistem yang besar seperti turbin angin pembangkit listrik dan mesin penggerak kapal. Para ilmuwan berharap bahwa studi tentang pnictides akan membuka jalan bagi penemuan bahan baru dengan suhu transisi yang lebih tinggi atau lebih baik dibandingkan dengan sifat mekanik cuprate.