Manfaat Dan Kegunaan Superkonduktivitas

Manfaat Dan Kegunaan Superkonduktivitas, Superkonduktivitas, adalah keadaan di mana material secara harfiah tidak memiliki daya tahan terhadap arus listrik. Fenomena ini ditemukan di awal abad ke-20, namun untuk sebagian besar dekade berikutnya, ia tetap sedikit lebih dari sekedar keingintahuan.

Bahan yang menunjukkan perilaku superkonduktif hanya melakukannya jika didinginkan sampai beberapa derajat nol mutlak, yang membatasi penggunaannya pada aplikasi yang sangat khusus.

Superkonduktivitas mungkin bisa mengklaim sebagai anak pertama dari fisika dengan suhu rendah, walaupun penjelasan yang memadai tentang asal fisiknya harus menunggu hampir setengah abad lagi.

Konduktivitas tinggi atau resistansi nol atau superkonduktivitas idealnya memungkinkan arus tak terbatas melewatinya. 

Superkonduktivitas ditemukan pada tahun 1911 oleh fisikawan Belanda Heike Kammerlingh Onnes. Dia menemukan bahwa ketika merkuri didinginkan oleh helium cair sampai 4 derajat Kelvin, ia kehilangan semua hambatan terhadap arus listrik.

Onnes kemudian memenangkan Hadiah Nobel untuk pekerjaan ini. Penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa banyak logam, seperti timah, timbal, dan niobium, juga superkonduktif saat didinginkan sampai suhu yang sangat rendah.

Tentu ini adalah sebuah bayangan aneh tentang takdir bahwa sebuah fenomena, yang merupakan manifestasi mencolok dari perilaku mekanika kuantum pada skala makroskopik, seharusnya telah ditemukan sebelum pengembangan teori kuantum.

Mengingat kesulitan untuk bekerja pada suhu kriogenik seperti itu, superkonduktivitas tetap menarik namun sedikit praktis penggunaannya, walaupun material ditemukan yang menjadi superkonduktif pada suhu yang sedikit lebih tinggi. Ahli teori terpesona oleh fenomena tersebut karena tidak ada yang tahu pasti mengapa hal itu terjadi.

Prinsip teoritis superkonduktivitas akhirnya digariskan pada tahun 1957, ketika John Bardeen, Leon N. Cooper, dan J. Robert Schrieffer menerbitkan sebuah teori yang juga akan memenangkan Hadiah Nobel.

Teori 'Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)' mengatakan bahwa pendinginan kriogenik bahan seperti niobium menekan noise termal acak dalam struktur kristal mereka.

Hal ini memungkinkan getaran mekanis terkuantisasi ('fonon') untuk membentuk interaksi listrik lemah yang menggabungkan elektron dengan putaran dan momentum yang berlawanan bersama-sama dalam 'pasangan Cooper', yang memiliki putaran bersih nol dan momentum.

Resistansi listrik disebabkan oleh hamburan elektron karena cacat, kotoran, dan getaran termal dalam kisi kristal konduktor. Namun, pengikatan elektron pada pasangan Cooper menghilangkan hamburan, dan hambatan listrik pun lenyap.

Di atas 'Curie temperature' tertentu, getaran termal mengganggu pasangan Cooper, dan material menjadi resistif lagi. Medan magnet yang kuat dan arus tinggi juga bisa mengganggu pasang dan menghancurkan superkonduktivitas.

Terlepas dari perkembangan teori BCS, melakukan sesuatu yang berguna dengan superkonduktor tetap merupakan perjuangan yang berat. Yang sepertinya menjadi terobosan akhirnya terjadi di tahun 1980an.

Minat superkonduktivitas melejit pada akhir 1980-an ketika bahan-bahan ditemukan yang tetap superkonduktif pada suhu yang relatif tinggi, namun setelah kegembiraan awal mereda, pengembangan aplikasi praktis terbukti sangat lambat.

Namun, pada akhir abad ini, bekerja menuju penerapan bahan superkonduktif dalam sistem tenaga listrik, sensor, dan elektronika digital akhirnya terasa berada di jalur yang benar.

Pada bulan September 1986, Alexander Mueller dan Georg Bednorz, dua ilmuwan di sebuah pusat penelitian IBM di Zurich, Swiss, menerbitkan sebuah makalah yang menjelaskan senyawa oksida tembaga yang menunjukkan superkonduktivitas pada 35 derajat Kelvin, 12 derajat di atas suhu Curie dari bahan superkonduktor yang diketahui.

Pada bulan Desember 1986, sebuah bahan telah ditemukan dengan Tc 38 K. Setahun kemudian, pada awal 1987, sebuah tim di bawah fisikawan CW 'Paul' Chu menemukan sebuah senyawa, 'itrium barium tembaga oksida' ('YBCO', diucapkan " ibco "), yang memiliki Tc dari 93 K.

Ini menggerakkan suhu Curie bahan superkonduktor dari kisaran suhu helium cair sampai suhu nitrogen cair. Pengurangan kebutuhan pendinginan dijanjikan akan sangat mengurangi co st teknologi superkonduktor dan memperluas jangkauan aplikasinya.

Antusiasme peneliti di lapangan diwujudkan pada tahun itu oleh sebuah pertemuan khusus American Physical Society di Hotel Hilton di New York City, dijejali dengan 3.000 fisikawan, banyak di antaranya tetap terjaga. sepanjang malam membahas superkonduktor baru. Acara tersebut kemudian dikenal sebagai 'Woodstock of Physics'.

Sejak tahun 1986, lebih dari 100 materi HTS telah ditemukan. Rekor Tc sekarang berdiri di 138 derajat Kelvin. Kemajuan ini telah dibuat meskipun tidak ada yang benar-benar yakin bagaimana superkonduktivitas suhu tinggi bekerja.

Walaupun ada beberapa mekanisme pemasangan pasangan elektron yang ada, seperti halnya dengan superkonduktor suhu rendah 'lama' (LTS) ', mekanisme hubungan phonon yang terkait dengan pasangan Cooper pada superkonduktor suhu rendah tidak dapat bekerja pada suhu tinggi, karena getaran termal akan cepat menghancurkan hubungan fonon.

Teori yang paling populer adalah bahwa pasangan kopling terjadi karena efek magnetik halus yang diciptakan oleh kisi HTS, namun tidak ada yang bisa menjelaskan bagaimana hal itu terjadi. Memahami apa yang menyebabkan fenomena ini akan membantu peneliti untuk mengatasi beberapa masalah yang mereka hadapi bekerja dengan HTS. Misalnya, vortex magnetik yang diatur oleh aliran arus listrik melalui HTS cenderung melayang melalui materi, dan drift ini menghilang. energi, atau dengan kata lain, menyebabkan resistensi.

Materi perlu memiliki penyemprotan fluks yang kuat untuk memastikan agar vortex tidak bermigrasi. Lebih penting lagi, pemahaman teoritis yang lebih baik dapat menyebabkan peningkatan suhu Curie lebih jauh lagi.

 Periset percaya ini sangat mungkin, karena senyawa tembaga-oksida yang dibuat dengan merkuri telah terbukti melakukan superkonduktor pada suhu 164 K saat diperas hingga tekanan sangat tinggi di anakan berlian.

Akibatnya, satu jalan penelitian adalah mencoba memodifikasi bahan superkonduktif menjadi konfigurasi yang serupa dengan yang mereka adopsi di bawah tekanan tinggi. Setelah harapan besar muncul karena penemuan bahan HTS, para peneliti menemukan antusiasme mereka secara bertahap mengempis saat mereka menemukan keterbatasan praktis dari HTS.

Kerapatan arus kritis, atau jumlah maksimum arus yang dapat didukung superkonduktor sebelum menjadi resistif, dari YBCO sangat tinggi, sekitar satu juta ampere per sentimeter persegi, dan material tersebut tetap dapat bertahan dalam superkonduktif dalam magnet yang relatif tinggi.

ladang. Sayangnya, sejauh ini upaya untuk membuat kabel superkonduktor praktis dari YBCO telah gagal, karena butirannya yang tidak beraturan sulit dilakukan pada strip dan kabel. Bahan yang lebih baik untuk aplikasi listrik tenaga akhirnya muncul dalam bentuk 'bismut, strontium, kalsium, tembaga, dan oksigen '(' BSCCO ', diucapkan' bosco 'atau' bisco ').

BSCCO memiliki butiran datar dan teratur yang dapat lebih mudah disesuaikan, dan terbukti lebih mudah untuk dibuat, meskipun tidak memiliki kapasitas YBCO saat ini. Peneliti sekarang dapat membungkus bahan BSCCO yang kasar dan rapuh pada perak dan melepaskan perakitan ke dalam filamen panjang Filamen kemudian digulung dan dipanaskan untuk menyelaraskan lapisan BSCCO untuk membentuk kawat kontinyu.

BSCCO memiliki struktur berlapis; bergulir memecah dan menyebar lapisan, dan pemanasan menggabungkan mereka bersama-sama. Sayangnya, lapisan perak secara substansial meningkatkan biaya kabel BSCCO.

 Kerapatan arus kritis saat ini dari BSCCO adalah sekitar 70.000 ampere per sentimeter persegi. Nilai ini kira-kira tiga kali lebih besar dari pada pertengahan tahun 1990an. Kabel BSCCO praktis tidak seluruhnya terbuat dari bahan superkonduktor, sehingga kerapatan arus kritis aktual mereka sekitar 15.000 ampere per sentimeter persegi.

Sebuah HTS baru yang menjanjikan, 'magnesium diboride (MgB2)', ditemukan pada tahun 2001 oleh tim peneliti bahan Jepang. . Meski memiliki Tc hanya 39 derajat Kelvin, harganya murah, mudah untuk dipalsukan, dan lebih mudah bekerja ke kabel dibanding bahan HTS lainnya.

Tc rendah adalah kelemahan, tapi setidaknya memungkinkan MgB2 untuk didinginkan dengan sistem cryocooler mekanis daripada helium.MgB2 cair menderita kerapatan arus kritis rendah sekitar 35.000 ampere per sentimeter persegi dan lemahnya ketahanan terhadap medan magnet, namun para periset membuat kemajuan di kedua bidang ini.

Aplikasi aplikasi superkonduktor telah difokuskan di tiga bidang: sistem dan perangkat tenaga listrik, seperti jalur transmisi tenaga, motor listrik, dan transformer; sensitif 'perangkat interferensi kuantum superkonduktor (SQUID)'; dan komponen logika digital superkonduktor ultrafast. Sistem tenaga listrik menawarkan potensi terbesar dalam waktu dekat, dan memang merupakan aplikasi utama untuk HTS.

Ternyata, HTS memiliki beberapa keterbatasan yang membatasi kegunaannya untuk perangkat SQUIDS dan logika, namun perbaikan substansial juga telah dilakukan dalam teknologi LTS tradisional untuk memajukan bidang tersebut.

Berbagai sumber