Modul 8 : Superkonduktor Temperatur Kritis Tinggi Inisiasi 7 Modul 8 : Superkonduktor Temperatur Kritis Tinggi

Kompetensi Menjelaskan karakteristik bahan semikonduktor temperatur tinggi Menjelaskan sifat fisika semikonduktor tinggi Menjelaskan keadaan normal oksida HTSC Menjelaskan Keadaan Superkonduktor Menjelaskan keadaan campuran Menjelaskan model sederhana untuk oksida berlapis Menjelaskan model Lawrence Doniach untuk oksida berlapis

Karakteristik Bahan Semikonduktor Temperatur Tinggi 1. Oksida – oksida dengan Tc tinggi Karakteristik: merupakan struktur-struktur berlapis yang sangat anisotropik, yang merupakan senyawa cuprate adanya lapisan-lapisan CuO2 yang menguasai sebagian besar sifat-sifatnya contoh YBa2Cu3O6 2. Oksida Logam Karakteristik: Memiliki sifat logam seperti oksida HTSC (High – Tc Super conducting). Konduktivitas HTSC bersifat logam terutama dalam bidang-bidang CuO2 3. Mineral – Mineral Keramik Bahan-bahan asli, La2-xSrxCuO4 (diacu sebagai LSCO) dan YBa2Cu3O7 (YBCO), disintesiskan dengan penemuan-penemuannya sebagai pelet-pelet keramik, memiliki Sifat superkonduktor dengan Tc  92 K

Sifat Fisika Semikonduktor Tc Tinggi Superkonduktor dengan Tc  100 K Isolator Terinjeksi Kuasi-dua-dimensi Sifat isolator pada YBa2Cu3O6 diinjeksi secara perlahan agar menjadi konduktor dan superkonduktor di bawah suhu temperatur kritis. Injeksi dilakukan dengan memberikan oksigen tambahan yang membentuk ‘rantai’ CuO. Ion-ion oksigen ini menarik elektron- elektron dari bidang-bidang CuO2, yang selanjutnya akan menjadi bersifat logam. Panjang Koherensi Panjang koherensi superkonduktor oksida dengan Tc tinggi adalah sangat pendek Dimana persamaan panjang koherensi ditentukan oleh panjang koherensi dalam oksida-oksida HTSC agak lebih pendek karena Tc-nya kira-kira 10 kali dari pada dalam logam biasa. Selain itu, kerapatan pembawanya yang rendah, kecepatan Fermi dalam logam-logam ionik ini juga lebih rendah dari pada dalam logam biasa

Keadaan Normal Oksida HTSC senyawa-senyawa HTSC adalah kenyataan bahwa senyawa-senyawa itu sangat dekat dengan fase isolator. Isolator itu sedikit diinjeksi untuk memperoleh keadaan superkonduktor. Jika penyuntikan dinaikkan, superkonduktivitas hilang. Perilaku yang agak aneh ini menimbulkan masalah sifat-sifat fisika di atas temperatur kritis, yaitu: Anisotropi dan Resistivitas Anisotropi HTSC teramati dari kristal-kristal kekurangan oksigen. Anisotropi besar, membuat resistivitas sulit diukur. Bilangan Hall Jika konduksi disebabkan oleh lubang-lubang atau elektron-elektron, seperti dalam logam-logam sederhana, bilangan Hall memberikan suatu-taksiran tentang konsentrasi pembawa per satuan volume. Dalam YBCO, dengan medan magnet sejajar dengan sumbu-c dan arus-arus dalam bidang-ab, bilangan Hall memberikan suatu konsentrasi ~ 7 × 1021 cm-1 pada 300 K. Ini merupakan konsentrasi yang sangat rendah untuk logam

Keadaan Superkonduktor Energi Karakteristik (“celah”) Energi karakteristik ini sukar diukur untuk bahan-bahan HTSC dan penuh ketidakpastian. Metode yang paling jelas untuk superkonduktor-superkonduktor konvesional adalah efek terobosan. Cara langsung kedua untuk mengukur energi karakteristik adalah konduktivitas yang tergantung frekuensi. Energi karakteristik juga anisotropik. Eksitasi-eksitasi dalam bidang-ab mempunyai energi karakteristik berbeda dengan eksitasi-eksitasi sepanjang sumbu-c Panjang koherensi salah satu karakteristik kristal-kristal berlapis ini adalah panjang koherensinya yang pendek, yaitu dalam YBCO, dan Kedalaman Penembusan Kedalaman penembusan superkonduktivitas memiliki nilaibeberapa ribu angström sehingga oksida-oksida HTSC merupakan superkonduktor tipe II Medan Kristal Struktur-struktur kristal yang telah disebutkan di muka juga diperkirakan memiliki sifat-sifat magnetik yang anisotropik. Pengukuran-pengukuran pada kristal-kristal sistem LBCO dan YBCO benar-benar menunjukkan tingginya anisotropi medan kritis.

Keadaan Campuran Keadaan campuran superkonduktor temperatur tinggi mengungkapkan sejumlah corak yang tidak biasa. Dalam superkonduktor konvensional, transisi resistif bergeser ke bawah dengan kenaikan medan magnet. Dalam superkonduktor Tc tinggi terdapat pelebaran transisi itu. Corak baru kedua yang penting adalah adanya garis ireversibilitas dalam diagram fase (H, T). Ini merupakan perilaku nonreversible di bawah temperatur Ti yang tergantung pada medan yang diberikan

Model Sederhana untuk Oksida-Oksida Berlapis struktur YBCO dapat digambarkan secara bagan sebagai suatu struktur berlapis yang terdiri dari dua bidang CuO2 yang dipisahkan oleh tempat Y. Antara 2 lapisan ini terdapat antar-lapisan yang dalam kasus YBa2Cu3O7, berhubungan dengan rantai-rantai CuO. Bagan Struktur Bahan YBa2Cu3O6,93

Rantai-rantai Cu-O dapat dianggap sebagai “ion-muatan” yang dibutuhkan untuk memindahkan muatan ke dalam bidang-bidang CuO2. Hal ini memungkinkan kita untuk menganggap konduktor HTSC sebagai bidang-bidang CuO2 yang dipisahkan suatu tandon muatan Pembawa-pembawa muatan ditambahkan dengan penginjeksian, yang pada dasarnya dengan mengganti atom-atom bervalensi tiga dengan atom-atom bervalensi 2, seperti mengganti La3+ dengan Sr2+ dalam La2-xSrxCuO4 atau dengan menambahkan oksigen pada YBa2Cu3O6 yang memasukkan senyawa itu dari O2- dan membentuk rantai-rantai CuO. Untuk mempertahankan kesetimbangan muatan, elektron-elektron dikeluarkan dari bidang-bidang tembaga oksida dan lubang-lubang yang ditinggalkan bebas bergerak dan membentuk “pasangan-pasangan Cooper” di bawah Tc sehingga terjadi superkonduktivitas. Model satuan YBa2Cu3O6,93 berlapis

Model Lawrance-Doniach untuk Oksida Berlapis Model Lawrance Doniach menjelaskan tentang senyawa-senyawa berlapis, kerapatan elektron dan susunan superkonduktor bervariasi dalam arah tegak lurus lapisan-lapisan itu. Jika jarak antara lapisan-lapisan ini besar dibandingkan dengan , parameter susunan sangat kecil antara lapisan-lapisan CuO2. Sebaliknya, jika besar dibandingkan dengan jarak ini, ketidakhomogenan sistem elektron dirata-rata dalam semua sifat superkonduktor makroskopiknya. Jika kecil, parameter susunan menjadi tidak homogen. Seperti telah kita lihat, parameter itu besar di dalam lapisan-lapisan CuO2, tetapi kecil di antara lapisan-lapisan itu. Kita menggambarkan parameter susunan dalam daerah-daerah itu, mengabaikan daerah antara dan menambahkan gandengan Josephson antara 2 daerah itu (Gambar 8.12). Oleh karena itu, dalam pendekatan ini, superkonduktor-superkonduktor berlapis dapat dianggap sebagai suatu susunan lapisan-lapisan (bidang-bidang CuO2) yang tergandeng oleh interaksi Josephson.