Modul 7: Superkonduktor Temperatur Rendah Inisiasi 6 Modul 7: Superkonduktor Temperatur Rendah

Kompetensi Menjelaskan Sejarah Superkonduktor Menjelaskan pengertian super konduktor Menjelaskan beberapa penelitian tentang superkonduktor Menjelaskan superarus dan tembusan Menjelaskan efek Meissner Menjelaskan medan dan temperatur kritis Menjelaskan tipe – tipe superkonduktor Menjelaskan karakteristik superkonduktor

Sejarah Superkonduktor Gejala superkonduktivitas pertama kali oleh Kamerlingh Onnes tahun 1911 di Leiden ketika mengamati resistansi listrik merkuri pada temperatur sangat rendah mendekati 4,2 K, titik lebur helium. Hasilnya terlihat bahwa resistansi listrik merkuri turun secara kontinu dari titik leburnya (223 K) sampai 4,2 K dan kemudian turun secara tiba-tiba sampai kira-kira sepersejuta dari nilai mula-mula pada titik lebur tersebut. Hasil serupa diperoleh dengan menggunakan berbagai logam seperti Pb, Sn, dan In.

Pengertian Semikonduktor Gejala hilangnya resistivitas listrik bahan di bawah temperatur tertentu disebut superkonduktivitas dan bahan yang berada dalam keadaan ini disebut superkonduktor. Resistivitas bahan semikonduktor mempunyai nilai dalam rentangan Contoh bahan semikonduktor antara lain germanium (Ge), silikon (Si), galium arsenida (GaAs), cadnium sulfida (CdS).

Beberapa penelitian tentang Superkonduktor Bednorz dan Muller (1986) mepenemuannya tentang sistem La-Ba-Cu-O dari superkonduktor keramik yang menunjukkan Tc sama dengan 34 K. Dalam tahun 1987, superkonduktor keramik dengan komposisi YBa2Cu3O7 ditemukan yang menunjukkan temperatur-kritis Tc sama dengan 90 K Dalam tahun 1988, nilai Tc melesat jauh sampai 125 K untuk thallium cuprates

Sifat-sifat beberapa superkonduktor terpilih dalam urutan kronologis

EFEK MEISSNER Gejala dimana superkonduktor berperilaku sepeti bahan diamagnetik sempurna, dimana superkonduktor menolak keluar fluks magnetik setelah superkonduktor itu didinginkan di bawah Tc, yaitu dalam medan magnet luar. Penolakan fluks semacam itu juga teramati jika superkonduktor mula-mula didinginkan di bawah Tc dan kemudian ditempatkan dalam medan magnet Gejala ini disebut Reversibel dimana berlaku B = 0 dan E = 0

Superarus dan Kedalaman Tembusan Kondisi dimana arus mengalir sepanjang permukaan superkonduktor dan menghasilkan magnetisasi M dan meniadakan medan magnet luar He dalam superkonduktor tersebut. Arus ini mengalir secara tak terbatas dan tetap konstan di dalam superkonduktor yang memiliki resistivitas nol, sehingga dinamakan superarus Sedangkan kedalaman penembusan didefinisikan sebagai jarak di dalam suatu superkonduktor sedemikian rupa sehingga medan magnet berkurang menjadi 1/e dari nilainya pada permukaan superkonduktor Kedalaman penembusan tergantung pada temperatur. Bilamana suatu bahan percobaan timah ditempatkan dalam suatu medan magnet lemah, kedalaman penembusan hanya berubah sedikit selama temperatur naik sampai temperatur kritis dicapai di mana kedalaman penembusan itu naik secara tajam. Jadi, pada temperatur Tc atau di atasnya, medan itu menembus logam secara sempurna.

Medan dan Temperatur Kritis Dalam tahun 1913, Kamerlingh Onnes mengamati bahwa suatu superkonduktor memperoleh kembali keadaan normalnya di bawah temperatur kritis jika superkonduktor itu ditempatkan suatu medan magnet yang cukup kuat. Nilai medan magnet pada suatu superkondutivitas hilang disebut medan ambang atau medan kritis, Hc, yang mempunyai orde beberapa ratus oersted untuk sebagian besar superkonduktor murni. Medan ini berubah terhadap temperatur, yang artinya keadaan superkonduktor adalah stabil hanya dalam suatu rentangan tertentu dari medan magnet dan temperatur

Tipe – tipe Superkonduktor Superkonduktor Tipe I Superkonduktor yang mengikuti efek Meissner. Superkonduktor ini menunjukkan diamagnetisme sempurna di bawah medan kritis Hc yang mempunyai orde 0,1 tesla untuk sebagian besar kasus. Selama magnet luar dinaikkan di luar Hc, medan itu menembus bahan secara sempurna dan bahan itu secara tiba-tiba kembali ke keadaan resistif normal. Bahan-bahan ini melepas superkonduktivitasnya pada kuat medan yang lebih rendah dan diacu sebagai superkonduktor lunak. Bahan-bahan murni dari berbagai logam menunjukkan perilaku tipe I ini. Penerapan teknis bahan-bahan ini sangat terbatas karena nilai medan kritisnya sangat rendah.

Tipe – tipe Superkonduktor Superkonduktor Tipe II Superkonduktor tipe II tidak mengikuti efek Meissner secara ketat, dalam arti bahwa medan magnet tidak menembus bahan ini secara tiba-tiba pada medan kritis. Dari kurva itu dapat disimpulkan bahwa untuk medan-medan yang kurang dari Hc1 bahan itu menunjukkan diamagnetisme sempurna dan penembusan fluks tidak terjadi. Jadi, untuk H < Hc1 bahan berada dalam keadaan superkonduktor. Selama medan melebihi Hc1, fluks mulai menembus bahan dan untuk H = Hc2 penembusan sempurna terjadi sehingga bahan itu menjadi konduktor normal. Medan Hc1 dan medan Hc2 secara berturut-turut disebut medan kritis bawah dan medan kritis atas. Dalam daerah antara Hc1 dan Hc2 perilaku diamagnetik bahan menghilang secara perlahan-lahan dan rapat fluks B di dalam bahan itu tetap tidak nol, efek Meissner tidak diikuti secara ketat. Bahan dalam daerah ini dikatakan berada dalam keadaan vorteks atau keadaan antara yang mempunyai distribusi daerah superkonduktor dan bukan superkonduktor cukup kompleks. Daerah I : Daerah super hantaran Daerah II : daerah vortex atau daerah campuran atau daerah antara Daerah III : daerah normal

Karakteristik Superkonduktor Karakteristik Entropi Suatu penurunan entropi yang mencolok dapat diamati selama transisi dari keadaan normal ke keadaan superhantaran dekat temperatur kritis yang menunjukkan bahwa keadaan superhantaran lebih teratur daripada keadaan normal 2. Karakteristik panas jenis Dalam gambar, panas jenis galium dekat Tc. Keadaan normal telah diperoleh dari keadaan superhantaran dengan memberikan medan magnet 200 gauss yang lebih besar daripada Hc untuk Ga. Keadaan normal dapat dicapai dari keadaan superhantaran dengan memberikan medan magnet H lebih besar daripada Hc. Grafik antara Cn/T terhadap T2 adalah garis lurus.

Karakteristik Superkonduktor panas jenis elektronik, Ce, dalam keadaan superhantaran tidak menunjukkan variasi linear terhadap temperatur; panas jenis elektronik ini tampaknya bervariasi secara eksponensial. Grafik antara terhadap 1/T adalah garis lurus, digambarkan sebagai sumbu vertikal dalam skala logaritmik dan sebagai sumbu horizontal dan mengambil untuk Ga. Jadi, ketergantungan eksponensial pada 1/T adalah jelas. Jenis ketergantungan ini menghendaki diperlukannya energi tertentu untuk mengeksitasikan atom secara individual dalam suatu superkonduktor padahal tidak ada energi semacam itu yang diperlukan dalam logam biasa. Hal ini tersirat adanya celah energi Eg dalam superkonduktor. Besaran dihubungkan dengan Eg dan sering disebut parameter celah energi.

Karakteristik Superkonduktor 3. Celah energi Celah energi dalam superkonduktor mempunyai sifat berbeda dengan celah energi dalam isolator. Dalam isolator celah energi dihubungkan dengan kisi sedangkan dalam superkonduktor celah energi dihubungkan dengan gas Fermi. Celah energi dalam superkonduktor memisahkan keadaan tereksitasi dari keadaan dasar seperti ditunjukkan dalam Gambar dan dihubungkan dengan menurut