BAB 1SUPERKONDUKTOR DAN BAHAN SUPERKONDUKTOR

1.1 Definisi Superkonduktor ??

Slide-1

Slide-2

1.2 Sekilas Perkembangan Superkonduktor

Slide-3

Slide-4

Slide-5

Slide-6

Slide-7

Slide-8

1.3 Klasifikasi Bahan dan Contoh

1. Superkonduktor Elemen (26 dalam bentuk bulk tanpa tekanan)

Rh (0.0003 K)W (0.012 K)Al (1.14 K)Hg (4.153 K)La (6.00 K)Pb (7.193 K)Nb (9.50 K);

Elemen yang menjadi superkonduktor dalam bentuk film tipis atau dibawah tekanan (misalnya

untuk Si, Tc = 8.3 K pada tekanan 165 kbar), mencakup elemen: Si, Ge, P, As, S, Se, Sn, Sb, Te, Bi,

Ba, Y, Cr, Cs, Ce, U.

Superkonduktor tidak terbatas pada elemen logam, dan sebaliknya elemen logam tidak dengan

sendirinya dapat menjadi superkonduktor, misalnya: semua logam mulia (Cu, Ag, Au, Pt) dan

logam alkali (Li, Na, K) bukan superkonduktor. Superkonduktor tipe I pada umumnya terdiri dari

bahan elemen tunggal, walaupun tidak semua superkonduktor elemen tergolong tipe I.

Tc tertinggi untuk superkonduktor elemen

Slide-9

2. Paduan (Alloy)

3. Senyawa (Compound)

Pb-In (7.0 K)Pb-Bi (8.3 K)Nb-Ti (9.5 K)Nb-N (16 K)Nb-Al-Ge (20.5 K)

CuS (1.6 K)NbSe2

Senyawa intermetalik berstruktur A-15 ( - tungsten) dan berkomposisi A3B, dengan A = logam transisi.

Contoh superkonduktor A-15:V3Ga (15.4 K)V3Si (17.1 K)Nb3Al (18.9 K)Nb3Ga (20.3 K)Nb3Ge (23 K)Nb3Sn (18,3 K)

Slide-10

Senyawa kalkogenida berkomposisi umum MxMo6X8 (fase Chevrel), dimana M: sebagian besar logam, dan X (chalcogens): S, Se, TeSnMo6S8 (12 K) PbMo6S8 (15 K) LaMo6S8 (7 K)PbMo6S8 (36 K)LaMo6S8 (11 K)Senyawa intermetalik ‘borocarbides’, dengan komposisi umum RNi2B2C; dimana R = Ho, Er, TmErNi2B2C (10.6 K)

Senyawa elektron/ fermion berat (sistem elektron kulit f, dengan m~103me)CeCu2Si2 (0.8 K)UBe3 (0.8 K)UPt3 (0.5 K)URu2Si2 (1 K)UPd2Al3 (2 K)

Slide-11

4. Superkonduktor Oksida

A. Sistem superkonduktor tanpa lapisan CuO

SrTlO3 (0.3 K)NbO (1.4 – 1.6 K)TiO (0.7 – 1.1 K)Na0,3WO3 (0.5 K)Na0,2WO3 (3.0 K)Ca0,1WO3 (3.4 K)Sr0,08WO3 (4.0 K)Ba0,14WO3 (2.2 K)KxMoO3 (4.2 K)KxReO3 (3.6 K)LiTi2O4 (13.7 K)BaBixPb1-xO3 (13 K, x = 0,75)BaBixK1-xO3 (30 K, x = 0,40)

Sistem superkonduktor dengan lapisan CuO2 (dopan lubang)

YBa2Cu3O7- (93 K)YBa2Cu4O8 (80 K)Y2Ba4Cu7O15 (80 K)

Slide-12

La2-x(Ba,Sr)xCuO4 (30 – 40 K)

MrBmCan-1CunO2n+2r+ ; r = 0,1,2 ; m = 2 ; n = 1,2,3 dimana M = Bi, Pb, Tl, Hg ; B = Sr, BaBi2Sr2CuO6+ (r = 2; m = 2; n = 1) (10 K)Bi2Sr2CaCu2O8+ (r = 2; m = 2; n = 2) (80 K)Bi2Sr2Ca2Cu3O10+ (r = 2; m = 2; n = 3) (110 K)Tl2Ba2Ca2Cu3O10+ (r = 2; m = 2; n = 3) (125 K)HgBa2Ca2Cu3O6+ (r = 1; m = 2; n = 3) (135 K)Infinite layer (r = 0): [(Sr0,7Ca0,3)1-yCuO2]n (110 K)

Struktur kristal sistem Bi Fase 2201, 2212, 2223

Slide-13

1.4 Karakteristik Baru Superkonduktor TcTinggi

1.4.1 Suhu kritis (Tc) yang jauh melampaui Tc superkonduktor konvensional, dan efek isotop yang relatif rendah.

1.4.2 Konsentrasi elektron/ pembawa muatan rendah, karena hanya bersumber dari doping (dopan)

1.4.3 Struktur kristal yang berlapis merupakan sumber sifat yang anisotropik dan efek dimensi rendah (2 dimensi)

Parameter anisotropi:0,27 untuk YBCO-1230,15 untuk BSCCO-2223

c

ab

ab

c

cM

bam

)(

),(

Akibat lain yang berupa efek dimensi rendah digambarkan oleh kahadiran struktur vorteks yang

tidak lagi terdiri dari fluksoid berbentuk tabung (tubular), melainkan fluksi magnetik yang

terkuantisasi dalam bidang (2 dimensi), menyerupai bentuk ‘pancake’. Vorteks ini dapat

terkorelasi dengan kopling Josephson. Dalam limit korelasi kuat, vorteks pancake dapat

‘diluruskan’ (aligned) menjadi vorteks tubular.

Slide-14

Struktur vorteks Abrikosov

Struktur vorteks pancake

Slide-15

1.4.4 Pembawa muatan dalam superkonduktor Tc tinggi (> 77 K) adalah lubang yang bermuatan positif. Hal ini berkaitan dengan keadaan valensi Cu dalam lapisan CuO2 yang selalu hadir dan berperan sebagai lapisan konduksi dalam bahan tersebut.

Untuk memahami keadaan valensi 29 Cu, kita mulai dengan meninjau konfigurasi elektron elemen tersebut dalam keadaan netral. Cu = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s = (Ar) 3d10 4s Cu1+ = (Ar) 3d10 keadaan tereduksi , misal Cu2O Cu2+ = (Ar) 3d9 keadaan stabil , misal CuO

Cu3+ = (Ar) 3d8 keadaan teroksidasi , misal NaCuO2

Karakter ionik di atas dapat berubah atau dipengaruhi oleh keadaan lingkungan di sekitarnya yang disebut konfigurasi koordinasi dalam struktur kristal. Dengan kata lain, ikatan ionik dapat berubah menjadi ikatan kovalen, dan keadaan valensi dapat memiliki nilai fraksional (bilangan pecahan). Untuk Cu dikenal empat jenis konfigurasi koordinasi, yaitu:

Slide-16

Batang Planar Piramid Oktahedron

Jumlah koordinasi suatu ion bertambah dengan ukuran ion, ditentukan oleh jenis atom di

sekitarnya dan struktur kristal yang bersangkutan. Andaikan semua lubang hasil doping berasal

dari atom Cu. Ion Cu2+ merupakan ion dalam keadaan valensi paling stabil. Oleh karena itu

keadaan tereduksi dengan valensi 1+ dapat ditafsirkan sebagai keadaan ikatan kovalen Cu yang

kelebihan elektron (akibat doping elektron. Sedangkan keadaan teroksidasi dengan valensi 3+

dapat ditafsirkan sebagai keadaan ikatan kovalen Cu yang kelebihan lubang (akibat doping

lubang). Namun perlu diperhatikan bahwa angka 1+ dan 3+ yang menjadi 1- dan 1+ terhadap

keadaan Cu2+ adalah nilai valensi maksimum dalam keadaan tereduksi dan keadaan teroksidasi

tersebut. Dalam kenyataan, nilai-nilai itu dapat berupa bilangan pecahan, yang dikenal dengan

valensi fraksional .

Contoh:

Ikatan Cu dengan valensi 2+:~ La2

3+Cu2+O42-

~ Nd23+Cu2+O4

2-

1

Slide-17

18

Valensi Cu dalam superkonduktor oksida tembaga:~ Nd2-x

3+Cex4+Cuy+O4-x/2

2- , x = 0,15, fase T’ (Tc = 24 K) Persamaan keseimbangan valensi untuk senyawa netral: 3(2-x) + 4x + y = 2(4-x/2) y = 2 – 0,30 < 2+ èelectron doped ~ Nd2-x-z

3+Cex4+Srz

2+ Cuy+O42- , faseT* (Tc = 28 K)

Persamaan keseimbangan valensi untuk senyawa netral: 3(2-x-z) + 4x + 2z + y = 2(4) y = 2 + z – x > 2, bila z > x èhole dopedJadi jelas dari uraian ini bahwa kehadiran impuritas substitusi menghasilkan dopan bagi superkonduktor, dan jenis dopan (elektron atau lubang) ditentukan jenis dan kadar impuritas.

Analisis valensi serupa dapat diterapkan pada senyawa superkonduktor oksida tembaga lainnya:

La2-x3+Srx

2+CuyO42-

Sejalan dengan analisis terdahulu dari persamaan valensi:3(2-x) + 2x + y = 8 ; fase T (Tc = 38 K) y = 2 + x > 0 è hole doped = 2,2, untuk x = 0,2

1

2

Sistem YBCO~ YBa2Cu3O6 diperkirakan memiliki valensi ikatan: Y3+Ba2

2+[Cu1y+(I)Cu22y+(II)]O6

2- Sejalan dengan analisis terdahulu dari persamaan valensi: 3 + 2(2) + y + 2(2y) = 12 y = 1 Sehingga valensi rerata Cu menjadi: [ (1 x 1) + (2 x 2) ]: 3 = 1,67 < 2 Dan ternyata non superkonduktif (tetragonal) ? ~ YBa2Cu3O6 diperkirakan memiliki valensi ikatan: Y3+Ba2

2+[Cu3y+(I)Cu22y+(II)]O7

2-

Memberi nilai valensi rerata untuk Cu: [ (3 x 1) + (2 x 2) ]: 3 = 2,33 > 2 è hole doped Secara umum dengan model valensi: Y3+Ba2

2+[Cu1-2 3y+(I)Cu2

2y+(I)]Cu22+(II)O7

2- Memberi nilai valensi rerata untuk Cu: [3(1 - 2 ) + 2(2 ) + 2(2)] : 3 = [7 - 2 ] : 3 = 2; = 0,52; < 0,5

2

Bi23+Sn2

2+Can-12+Cun

y+O4+2n+ 2-

y = 2 + 2 /n = 2 + ; n = 2 = 2 + 2 /3 ; n = 3

3

Slide-19

20

1.5 APLIKASI SUPERKONDUKTOR

Sejak ditemukannya superkonduktor sampai saat ini, pemakaian superkonduktor dalam

beberapa bidang telah menjadi demikian populer. Aplikasi superkonduktor dipelopori dari

bidang industri, terutama elektronik, yaitu sejak berkembangnya teknologi komputer dan

mikroprosesor.

Aplikasi di bidang komputer

Kemajuan teknologi komputer dan mikroprosesor dimotori oleh kemajuan miniaturisasi serta

kecepatan pemrosesan. Dalam suatu chip komputer, yang besarnya tak lebih dari ukuran lubang

jarum, terdapat jutaan komponen aktif yang bila diuraikan lagi akan menjadi jutaan switch yang

biasanya dibuat dari bahan metal film ataupun emas. Efisiensi dan efektivitas makin

ditingkatkan dengan membuat switch dari bahan superkonduktor. Hal yang sama terjadi pula

dalam pembuatan sel-sel memori komputer. Keunggulan superkonduktor dibandingkan

meterial-material lainnya menyebabkan perkembangan teknologi komputer dan mikroprosesor

makin cepat. Aplikasi dari superkonduktor dalam teknologi komputer biasa disebut dengan

istilah cryotrons. Slide-20

Aplikasi di bidang kedokteran

Aplikasi di bidang fisika

Dalam bidang fisika, yaitu bidang yang melahirkan superkonduktor, kemajuan aplikasi

superkonduktor juga pesat. Salah satu bidang yang telah mengaplikasikan superkonduktor

adalah bidang fusilaser. Teknologi kriogenik telah menjadi suatu hal yang tak terpisahkan dalam

proses fusilaser, suatu proses penghasil energi harapan masa depan . Dalam proses tersebut

suatu energi dalam jumlah yang besar akan dihasilkan sebagai akibat reaksi fusi antara isotop

hidrogen . Konstruksi reaktor sebagian besar dibangun dengan teknologi superkonduktor.

Bidang kedokteran ternyata juga memanfaatkan teknologi ini. Berbagai penelitian

menunjukkan, dalam temperatur yang cukup rendah sekitar 170 K, operasi terhadap pasien akan

dapat berhasil dengan baik, misalnya untuk operasi syaraf, pengobatan terhadap tumor, operasi

mata.

Slide-21

22

Aplikasi di bidang industri tenaga listrik

Dari sekian banyak yang memanfaatkan teknologi superkonduktor, bidang industrilah yang

paling terlibat. Percepatan perkembangan industri seolah-olah makin besar seiring dengan

perkembangan teknologi ini. Bidang teknik tenaga listrik, khususnya di negara maju telah

memanfaatkan teknologi ini. Dengan teknologi super canggih ini transmisi dan distribusi tenaga

dapat dilakukan dengan sempurna. Dengan menggunakan superkonduktor dapat dicapai hasil

guna hampir 100%.

Hilangnya sebagian dari energi yang disalurkan, merupakan masalah rutin yang dihadapi dalam

transmisi dan distribusi tenaga listrik. Sebelum superkonduktor ditemukan, penghilangan

kerugian tersebut dianggap suatu hal yang mustahil. Setiap jenis konduktor selalu memiliki

hambatan listrik, bagaimanapun kecilnya. Bila ada arus mengalir melalui konduktor tersebut,

akan terjadi rugi tenaga yang sebanding dengan kuadrat arus dan sebanding dengan besarnya

hambatan. Dapat dibayangkan berapa besarnya tenaga yang terbuang bila arus yang mengalir

mempunyai beberapa ratus ampere misalnya. Belum lagi bila terjadi kenaikan temperatur, yang

akan menyebabkan kenaikan hambatan penghantar, yang berarti pula tenaga yang hilang akan

semakin besar. Slide-22

Aplikasi di bidang telekomunikasi

Dengan adanya penemuan superkonduktor, dengan kelebihan-kelebihannya efisiensi 100%

bukanlah merupakan impian lagi. Bila hambatan konduktor, (superkonduktor) menjadi semakin

kecil, mendekati nol, berarti rugi tenaga akan menjadi kecil pula. Bahkan seperti telah disebut

dimuka, rugi tenaga tidak mustahil akan menjadi nol pula.

Dalam bidang telekomunikasi unsur superkonduktif memungkinkan penerapannya dikemudian hari pada pen-switch-an telekomunikasi kecepatan tinggi, guna menyediakan pentransmisian denyut dalam piko detik tanpa cacat. Penerapan superkonduktor dalam piranti praktik akan sangat bergantung pada apakah mereka dapat diadakan dalam bentuk yang bermanfaat, dengan sifat-sifat yang diperlukan. Kini superkonduktor A15 konvensional banyak digunakan dalam fisika tenaga tinggi, dan dalam terapan biomedik, sebagai hasil dari program penelitian dan pengembangan (R and D) yang sangat berhasil selama tahun 1970an untuk menghasilkan kawat. Penerapan material bersuhu operasi nitrogen cair dalam lapangan telekomunikasi, masalah teknis pendinginan dapat diadakan dengan mudah dan murah. Karena itu, sifat-sifat men-switch cepat pada piranti penemuan Josephson akan dapat diterapkan dalam saklar-saklar jaringan utama, namun rupa-rupanya tidak akan diterapkan dalam jaringan lokal mengingat masalah perawatannya. Begitu pula antar koneksian dengan superkonduktor pada suhu nitrogen cair akan mungkin diterapkan hanya dalam lapangan sangat khusus. Detektor superkonduktor mungkin dalam sistem transmisi khusus yang beroperasi sampai 300 GHz. Kemungkinan menggunakan material 98 K adalah dalam lapangan rugi kecil untuk transmisi radio, terutama kalau antenanya sangat kecil terhadap panjang gelombang. Untuk itu, rugi melawan akan jauh lebih besar ketimbang memancar, dan perbaikan daya guna dapat diperoleh dengan menggunakan superkonduktor.

Slide-23

Kalau pengoperasian material dapat ditingkatkan sampai suhu lingkungan ataupun lebih tinggi lagi, maka lingkungan terapan yang berpotensi sangatlah luas. Saluran transmisi superkonduktor akan mudah menjadi saingan serat optik dalam hal pengoperasian lebar jalur dan dalam hal biaya pemakaian dalam jarak pendek, terutama kalau isyarat dikirimkan secara listrik dan tidak memerlukan pengubahan ke cahaya untuk dipancarkan. Namun rupa-rupanya serat optik akan tetap dominan dalam saluran jarak jauh sebab kerugian dalam isolator yang mengitari rantai transmisi superkonduktor.

Antena superkonduktif akan mungkin digunakan pada telepon sel kecil. Saklar superkonduktor mungkin banyak digunakan dalam jaringan telekomunikasi. Detektor superkonduktif tidak saja akan dapat digunakan dalam komunikasi radio tunggal melainkan juga sebagai detektor opto-elektronik akhiran.

Salah satu aspek yang memukau pada superkonduktor ialah bahwa ia merupakan rumpun baru samasekali, dengan sederetan sifat-sifat yang belum diteliti keseluruhannya. Ini tidak saja meningkatkan kemungkinan pengoperasian bahkan mungkin dalam suhu ruangan melainkan juga memberikan kesempatan bagi piranti baru yang tidak diadakan dengan sebarang material lain. Piranti semacam itu akan misalnya, memanfaatkan celah tenaga yang lebih lebar yang ada pada superkonduktor material baru itu, dan pengindera rumit-rumit dan saklar kecepatan tinggi. Tidak disangsikan bahwa supekonduktor yang baru akan besar dampaknya dalam liputan luas kegiatan teknologi dalam 20 tahun mendatang. Gejala aneh levitasi sudah dipraktekkan, kereta api cepat MLU-001 Jepang yang bisa melaju diatas 450 km/jam telah menggunakan teknologi tersebut. Roda kereta yang bermedan magnet melayang di atas rel yang diberi bahan superkonduktor.

Slide-24

Dengan memanfaatkan efek suspensi dimungkinkan dibuat alat operasi (misal bedah otak) yang canggih, dengan menyusupkan alat bedah keruang otak lewat lubang kecil. Di situ superkonduktor berlaku seperti sensor yang mengikuti gerakan magnet yang berada di luar batok yang dioperasi. Bila batang magnet didekatkan pada superkonduktor bahan tersebut langsung akan terinduksi sehingga punya kekuatan magnet dengan kutub yang sama. Hal ini dimungkinan karena, seperti pada percobaan magnet dengan superkonduktor, bila superkondutor bergerak mendekati medan magnetnya akan mengecil dengan sendirinya sehingga tidak saling menempel. Keseimbangan jarak tersebut juga dapat dicapai dengan sendirinya.

Sebuah kapal tanpa BBM yang dirancang berdasarkan teknologi Superconducting Electromagnetic Propulsion Ship, yang percobaannya diprakarsai Yayasan Perkapalan dan Kelautan Jepang pada tahun 1992, menggunakan pembangkit medan-medan magnet tabung-tabung aluminium yang diisi helium cair dengan suhu 4K. Tabung-tabung tersebut diberi liktan kawat Niobium-Titan sebagai bahan superkonduktornya. Pada waktu kumparan tersebut diberi arus yang besar, kumparan akan menghasilkan medan magnet yang besar. Selepas dari kumparan, arus listrik dialirkan lewat air laut di bawah perut kapal. Ruang mesin kapal tersebut seperti botol dengan dua mulut (di depan dan di belakang) terbuka dan ruangan tersebut tersekat dari bagian kapal yang lain. Air laut leluasa masuk dari mulut depan dan belakang air laut di sini punya peran ganda sebagai penghantar arus listrik dan media pekerjanya gaya elektromagnetik. Hasilnya air laut disedot dari depan dan dimuntahkan di belakang sehingga mendorong kapal untuk bergerak.

Slide-25---------- o -----------