Apa fenomena superkonduktivitas? Superkonduktivitas adalah fenomena dengan hambatan listrik nol dan pelepasan medan fluks magnet yang terjadi pada bahan tertentu, yang disebut superkonduktor, ketika didinginkan di bawah suhu kritis karakteristik.
Fenomena ini ditemukan oleh fisikawan Belanda Heike Kamerling-Onnes pada tanggal 8 April 1911 di Leiden. Seperti feromagnetisme dan garis spektrum atom, superkonduktivitas adalah fenomena mekanika kuantum. Hal ini ditandai dengan efek Meissner - pengusiran lengkap garis medan magnet dari dalam superkonduktor selama transisi ke keadaan superkonduktor.
Inilah inti dari fenomena superkonduktivitas. Munculnya efek Meissner menunjukkan bahwa superkonduktivitas tidak dapat dipahami hanya sebagai idealisasi konduktivitas ideal dalam fisika klasik.
Apa fenomena superkonduktivitas
Hambatan listrik dari sebuah konduktor logam secara bertahap berkurang sebagaimenurunkan suhu. Dalam konduktor umum seperti tembaga atau perak, pengurangan ini dibatasi oleh kotoran dan cacat lainnya. Bahkan mendekati nol mutlak, sampel nyata dari konduktor normal menunjukkan beberapa hambatan. Dalam superkonduktor, resistansi turun tajam ke nol ketika material didinginkan di bawah suhu kritisnya. Arus listrik melalui loop kawat superkonduktor dapat dipertahankan tanpa batas tanpa sumber daya. Ini adalah jawaban dari pertanyaan, apa fenomena superkonduktivitas.
Sejarah
Pada tahun 1911, saat mempelajari sifat materi pada suhu yang sangat rendah, fisikawan Belanda Heike Kamerling Onnes dan timnya menemukan bahwa hambatan listrik merkuri turun menjadi nol di bawah 4,2 K (-269°C). Ini adalah pengamatan pertama dari fenomena superkonduktivitas. Sebagian besar unsur kimia menjadi superkonduktor pada suhu yang cukup rendah.
Di bawah suhu kritis tertentu, bahan masuk ke keadaan superkonduktor, ditandai oleh dua sifat utama: pertama, mereka tidak menahan aliran arus listrik. Ketika resistansi turun ke nol, arus dapat bersirkulasi di dalam material tanpa disipasi energi.
Kedua, asalkan cukup lemah, medan magnet luar tidak menembus superkonduktor, tetapi tetap berada di permukaannya. Fenomena pengusiran medan ini kemudian dikenal sebagai efek Meissner setelah pertama kali diamati oleh seorang fisikawan pada tahun 1933.
Tiga nama, tiga huruf dan teori yang tidak lengkap
Fisika biasa tidak cukuppenjelasan tentang keadaan superkonduktor, serta teori kuantum dasar dari keadaan padat, yang mempertimbangkan perilaku elektron secara terpisah dari perilaku ion dalam kisi kristal.
Hanya pada tahun 1957, tiga peneliti Amerika - John Bardeen, Leon Cooper dan John Schrieffer menciptakan teori superkonduktivitas mikroskopis. Menurut teori BCS mereka, elektron berkumpul menjadi pasangan melalui interaksi dengan getaran kisi (disebut "fonon"), sehingga membentuk pasangan Cooper yang bergerak tanpa gesekan di dalam padatan. Padatan dapat dilihat sebagai kisi ion positif yang terbenam dalam awan elektron. Ketika sebuah elektron melewati kisi ini, ion-ion bergerak sedikit, karena tertarik oleh muatan negatif elektron. Gerakan ini menghasilkan daerah listrik positif, yang pada gilirannya menarik elektron lain.
Energi interaksi elektronik cukup lemah, dan uap dapat dengan mudah dipecah oleh energi panas - jadi superkonduktivitas biasanya terjadi pada suhu yang sangat rendah. Namun, teori BCS tidak memberikan penjelasan tentang keberadaan superkonduktor suhu tinggi pada sekitar 80 K (-193 °C) ke atas, yang memerlukan mekanisme pengikatan elektron lainnya. Penerapan fenomena superkonduktivitas didasarkan pada proses di atas.
Suhu
Pada tahun 1986, beberapa bahan keramik cuprate-perovskite ditemukan memiliki suhu kritis di atas 90 K (-183 °C). Suhu persimpangan tinggi ini secara teoritismustahil untuk superkonduktor konvensional, yang mengarah ke bahan yang disebut sebagai superkonduktor suhu tinggi. Nitrogen cair pendingin yang tersedia mendidih pada 77 K, dan dengan demikian superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi dari ini memfasilitasi banyak eksperimen dan aplikasi yang kurang praktis pada suhu yang lebih rendah. Ini adalah jawaban atas pertanyaan pada suhu berapa fenomena superkonduktivitas terjadi.
Klasifikasi
Superkonduktor dapat diklasifikasikan menurut beberapa kriteria yang bergantung pada minat kita pada sifat fisiknya, pada pemahaman yang kita miliki tentangnya, pada seberapa mahal untuk mendinginkannya, atau pada bahan pembuatnya.
Dengan sifat magnetnya
Superkonduktor Tipe I: superkonduktor yang hanya memiliki satu medan kritis, Hc, dan tiba-tiba bertransisi dari satu keadaan ke keadaan lain ketika tercapai.
Superkonduktor Tipe II: memiliki dua medan kritis, Hc1 dan Hc2, menjadi superkonduktor sempurna di bawah medan kritis bawah (Hc1) dan sepenuhnya meninggalkan keadaan superkonduktor di atas medan kritis atas (Hc2), berada dalam keadaan campuran antara medan kritis.
Seperti yang kita pahami tentang mereka
Superkonduktor biasa: yang dapat dijelaskan sepenuhnya oleh teori BCS atau teori terkait.
Superkonduktor inkonvensional: superkonduktor yang tidak dapat dijelaskan menggunakan teori seperti itu, misalnya: fermion beratsuperkonduktor.
Kriteria ini penting karena teori BCS telah menjelaskan sifat-sifat superkonduktor konvensional sejak tahun 1957, tetapi di sisi lain, belum ada teori yang memuaskan untuk menjelaskan superkonduktor yang sama sekali tidak konvensional. Dalam kebanyakan kasus, superkonduktor Tipe I adalah umum, tetapi ada beberapa pengecualian, seperti niobium, yang umum dan Tipe II.
Dengan suhu kritis mereka
Superkonduktor suhu rendah, atau LTS: mereka yang suhu kritisnya di bawah 30 K.
Superkonduktor suhu tinggi, atau HTS: mereka yang suhu kritisnya di atas 30 K. Beberapa sekarang menggunakan 77 K sebagai pemisahan untuk menekankan apakah kita dapat mendinginkan sampel dengan nitrogen cair (yang titik didihnya 77 K), yang jauh lebih layak daripada helium cair (alternatif untuk mencapai suhu yang dibutuhkan untuk menghasilkan superkonduktor suhu rendah).
Detail lainnya
Superkonduktor dapat menjadi tipe I, yang berarti ia memiliki satu medan kritis, di atasnya semua superkonduktivitas hilang, dan di bawahnya medan magnet sepenuhnya dihilangkan dari superkonduktor. Tipe II, yang berarti memiliki dua medan kritis yang memungkinkan penetrasi parsial medan magnet melalui titik-titik yang terisolasi. Titik-titik ini disebut vortisitas. Selain itu, dalam superkonduktor multikomponen, kombinasi dari dua perilaku dimungkinkan. Dalam hal ini, superkonduktor adalah tipe 1, 5.
Properti
Sebagian besar sifat fisik superkonduktor bervariasi dari bahan ke bahan, seperti kapasitas panas dan suhu kritis, medan kritis dan kerapatan arus kritis di mana superkonduktivitas rusak.
Di sisi lain, ada kelas properti yang tidak bergantung pada bahan dasarnya. Misalnya, semua superkonduktor memiliki resistivitas nol mutlak pada arus yang diterapkan rendah, ketika tidak ada medan magnet, atau ketika medan yang diterapkan tidak melebihi nilai kritis.
Kehadiran sifat universal ini menyiratkan bahwa superkonduktivitas adalah fase termodinamika dan oleh karena itu memiliki sifat khas tertentu yang sebagian besar tidak bergantung pada detail mikroskopis.
Situasinya berbeda di superkonduktor. Dalam superkonduktor konvensional, cairan elektron tidak dapat dipisahkan menjadi elektron individu. Sebaliknya, itu terdiri dari pasangan elektron terikat yang dikenal sebagai pasangan Cooper. Pasangan ini disebabkan oleh gaya tarik menarik antar elektron yang dihasilkan dari pertukaran fonon. Karena mekanika kuantum, spektrum energi cairan pasangan Cooper ini memiliki celah energi, yaitu ada sejumlah energi minimum E yang harus diberikan untuk mengeksitasi cairan.
Oleh karena itu, jika E lebih besar dari energi termal kisi yang diberikan oleh kT, di mana k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu, cairan tidak akan dihamburkan oleh kisi. JadiJadi, cairan uap Cooper adalah superfluida, yang berarti dapat mengalir tanpa menghilangkan energi.
Karakteristik superkonduktivitas
Dalam bahan superkonduktor, karakteristik superkonduktivitas muncul ketika suhu T turun di bawah suhu kritis Tc. Nilai suhu kritis ini bervariasi dari bahan ke bahan. Superkonduktor konvensional biasanya memiliki suhu kritis mulai dari sekitar 20 K hingga kurang dari 1 K.
Misalnya, merkuri padat memiliki suhu kritis 4,2 K. Pada 2015, suhu kritis tertinggi yang ditemukan untuk superkonduktor konvensional adalah 203 K untuk H2S, meskipun diperlukan tekanan tinggi sekitar 90 gigapascal. Superkonduktor cuprate dapat memiliki suhu kritis yang jauh lebih tinggi: YBa2Cu3O7, salah satu superkonduktor cuprate pertama yang ditemukan, memiliki suhu kritis 92 K, dan cuprate berbasis merkuri dengan suhu kritis melebihi 130 K telah ditemukan. tidak diketahui.
Pemasangan elektron karena pertukaran fonon menjelaskan superkonduktivitas pada superkonduktor konvensional, tetapi tidak menjelaskan superkonduktivitas pada superkonduktor baru yang memiliki suhu kritis yang sangat tinggi.
medan magnet
Demikian pula, pada suhu tetap di bawah suhu kritis, bahan superkonduktor berhenti superkonduktor ketika medan magnet eksternal diterapkan yang lebih besar darimedan magnet kritis. Ini karena energi bebas Gibbs dari fase superkonduktor meningkat secara kuadratik dengan medan magnet, sedangkan energi bebas fase normal kira-kira tidak tergantung pada medan magnet.
Jika bahan superkonduktor tanpa adanya medan, maka energi bebas fase superkonduktor lebih kecil dari fase normal, dan oleh karena itu, untuk beberapa nilai medan magnet yang terbatas (sebanding dengan kuadrat akar perbedaan energi bebas di nol), kedua energi bebas akan sama, dan akan terjadi transisi fase ke fase normal. Secara umum, suhu yang lebih tinggi dan medan magnet yang lebih kuat menghasilkan proporsi elektron superkonduktor yang lebih kecil dan oleh karena itu penetrasi medan dan arus magnet eksternal yang lebih dalam ke London. Kedalaman penetrasi menjadi tak terbatas pada transisi fase.
Fisik
Permulaan superkonduktivitas disertai dengan perubahan mendadak dalam berbagai sifat fisik, yang merupakan ciri transisi fase. Sebagai contoh, kapasitas kalor elektron sebanding dengan suhu dalam kondisi normal (bukan superkonduktor). Pada transisi superkonduktor, ia mengalami lompatan dan setelah itu berhenti menjadi linier. Pada suhu rendah, itu berubah bukannya e−α/T untuk beberapa konstan. Perilaku eksponensial ini merupakan salah satu bukti adanya celah energi.
Transisi fase
Penjelasan fenomena superkonduktivitas cukupjelas sekali. Urutan transisi fase superkonduktor telah dibahas sejak lama. Eksperimen menunjukkan bahwa tidak ada transisi orde kedua, yaitu panas laten. Namun, dengan adanya medan magnet eksternal, ada panas laten karena fase superkonduktor memiliki entropi lebih rendah, lebih rendah dari suhu kritis, dari fase normal.
Secara eksperimental menunjukkan hal berikut: ketika medan magnet meningkat dan melampaui medan kritis, transisi fase yang dihasilkan menyebabkan penurunan suhu bahan superkonduktor. Fenomena superkonduktivitas telah dijelaskan secara singkat di atas, sekarang saatnya untuk memberi tahu Anda sesuatu tentang nuansa efek penting ini.
Perhitungan yang dilakukan pada tahun 1970-an menunjukkan bahwa ia sebenarnya bisa lebih lemah daripada orde pertama karena pengaruh fluktuasi jarak jauh di medan elektromagnetik. Pada 1980-an, secara teoritis ditunjukkan menggunakan teori medan gangguan, di mana garis pusaran superkonduktor memainkan peran utama, bahwa transisi adalah urutan kedua dalam mode tipe II dan urutan pertama (yaitu, panas laten) dalam mode tipe I, dan bahwa kedua daerah dipisahkan oleh titik trikritik.
Hasilnya sangat dikonfirmasi oleh simulasi komputer di Monte Carlo. Ini memainkan peran penting dalam studi fenomena superkonduktivitas. Pekerjaan berlanjut pada saat ini. Inti dari fenomena superkonduktivitas tidak sepenuhnya dipahami dan dijelaskan dari sudut pandang ilmu pengetahuan modern.
