Gambar kristal miassite yang ditanam oleh Paul Canfield. Kredit: Laboratorium Nasional Ames Departemen Energi AS
Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Ames telah menemukan miassite, mineral alami yang merupakan superkonduktor tidak konvensional, menantang keyakinan sebelumnya dan memajukan pemahaman kita tentang superkonduktivitas untuk teknologi masa depan.
Para ilmuwan dari Laboratorium Nasional Ames telah mengidentifikasi superkonduktor nonkonvensional pertama dengan komposisi kimia yang juga ditemukan di alam. Miassite adalah satu dari hanya empat mineral yang ditemukan di alam yang bertindak sebagai superkonduktor ketika ditanam di laboratorium.
Investigasi tim terhadap miassite mengungkapkan bahwa itu adalah superkonduktor tidak konvensional dengan sifat yang mirip dengan superkonduktor suhu tinggi. Temuan mereka memperluas pemahaman para ilmuwan tentang jenis superkonduktivitas ini, yang dapat mengarah pada teknologi berbasis superkonduktor yang lebih berkelanjutan dan ekonomis di masa depan.
Memahami Superkonduktivitas
Superkonduktivitas adalah ketika suatu material dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi. Superkonduktor memiliki aplikasi termasuk mesin MRI medis, kabel listrik, dan komputer kuantum. Superkonduktor konvensional telah dipahami dengan baik tetapi memiliki suhu kritis yang rendah. Suhu kritis adalah suhu tertinggi dimana suatu bahan bertindak sebagai superkonduktor.
Pada tahun 1980-an, para ilmuwan menemukan superkonduktor yang tidak konvensional, banyak di antaranya memiliki suhu kritis yang jauh lebih tinggi. Menurut Ruslan Prozorov, ilmuwan di Ames Lab, semua bahan ini ditanam di laboratorium. Fakta ini menimbulkan keyakinan umum bahwa superkonduktivitas inkonvensional bukanlah fenomena alam.
Kejadian Alami
Prozorov menjelaskan, superkonduktor sulit ditemukan di alam karena sebagian besar unsur dan senyawa superkonduktor adalah logam dan cenderung bereaksi dengan unsur lain, seperti oksigen. Dia mengatakan bahwa miassite (Rh17S15) merupakan mineral yang menarik karena beberapa alasan, salah satunya adalah rumus kimianya yang kompleks. “Secara intuitif, Anda berpikir bahwa ini adalah sesuatu yang dihasilkan dengan sengaja selama pencarian terfokus, dan hal ini tidak mungkin ada di alam,” kata Prozorov, “Tetapi ternyata memang ada.”
Paul Canfield, Profesor Fisika dan Astronomi di Iowa State University dan ilmuwan di Ames Lab, memiliki keahlian dalam desain, penemuan, pertumbuhan, dan karakterisasi bahan kristal baru. Dia mensintesis kristal miassite berkualitas tinggi untuk proyek ini. “Meskipun miassite adalah mineral yang ditemukan di dekat Sungai Miass di Oblast Chelyabinsk, Rusia,” kata Canfield, “ini adalah mineral langka yang umumnya tidak tumbuh dalam bentuk kristal yang baik.”
Menumbuhkan kristal miassite adalah bagian dari upaya yang lebih besar untuk menemukan senyawa yang menggabungkan unsur-unsur dengan titik leleh sangat tinggi (seperti Rh) dan unsur-unsur yang mudah menguap (seperti S). “Bertentangan dengan sifat unsur murni, kami telah menguasai penggunaan campuran unsur-unsur ini yang memungkinkan pertumbuhan kristal pada suhu rendah dengan tekanan uap minimal,” kata Canfield. “Ini seperti menemukan lubang pemancingan tersembunyi yang penuh dengan ikan-ikan besar dan gemuk. Dalam sistem Rh-S kami menemukan tiga superkonduktor baru. Dan, melalui pengukuran rinci Ruslan, kami menemukan bahwa situs mias adalah superkonduktor yang tidak konvensional.”
Teknik dan Temuan Tingkat Lanjut
Kelompok Prozorov berspesialisasi dalam teknik canggih untuk mempelajari superkonduktor pada suhu rendah. Dia mengatakan material tersebut harus memiliki suhu sedingin 50 milikelvin, yaitu sekitar -460 derajat Fahrenheit.
Tim Prozorov menggunakan tiga tes berbeda untuk menentukan sifat superkonduktivitas miassite. Tes utamanya disebut “kedalaman penetrasi London”. Ini menentukan seberapa jauh medan magnet lemah dapat menembus sebagian besar superkonduktor dari permukaan. Dalam superkonduktor konvensional, panjang ini pada dasarnya konstan pada suhu rendah. Namun, pada superkonduktor nonkonvensional, suhunya bervariasi secara linier. Pengujian ini menunjukkan bahwa miassite berperilaku sebagai superkonduktor yang tidak konvensional.
Tes lain yang dilakukan tim adalah memasukkan cacat pada material. Prozorov mengatakan bahwa tes ini adalah teknik khas yang digunakan timnya selama dekade terakhir. Ini melibatkan pemboman material dengan elektron berenergi tinggi. Proses ini mengeluarkan ion dari posisinya, sehingga menimbulkan cacat pada struktur kristal. Gangguan ini dapat menyebabkan perubahan suhu kritis material.
Superkonduktor konvensional tidak sensitif terhadap gangguan non-magnetik, sehingga pengujian ini tidak menunjukkan atau hanya sedikit perubahan pada suhu kritis. Superkonduktor nonkonvensional memiliki sensitivitas tinggi terhadap gangguan, dan menimbulkan cacat yang mengubah atau menekan suhu kritis. Hal ini juga mempengaruhi medan magnet kritis material. Di miassite, tim menemukan bahwa suhu kritis dan medan magnet kritis berperilaku seperti yang diperkirakan pada superkonduktor nonkonvensional.
Menyelidiki superkonduktor nonkonvensional meningkatkan pemahaman ilmuwan tentang cara kerjanya. Prozorov menjelaskan bahwa hal ini penting karena, “Mengungkap mekanisme di balik superkonduktivitas nonkonvensional adalah kunci penerapan superkonduktor yang ekonomis.”
Referensi: “Superkonduktivitas nodal di situs mias Rh17S15” oleh Hyunsoo Kim, Makariy A. Tanatar, Marcin Kończykowski, Romain Grasset, Udhara S. Kaluarachchi, Serafim Teknowijoyo, Kyuil Cho, Aashish Sapkota, John M. Wilde, Matthew J. Krogstad, Sergey L. Bud'ko, Philip MR Brydon , Paul C. Canfield dan Ruslan Prozorov, 17 Februari 2024, Materi Komunikasi.
DOI: 10.1038/s43246-024-00456-w
Pekerjaan ini didukung oleh Kantor Sains DOE (Kantor Ilmu Energi Dasar) dan menggunakan sumber daya Sumber Foton Tingkat Lanjut, Fasilitas Pengguna Kantor Sains Departemen Energi AS (DOE).
