Sebuah studi terkini yang dipimpin oleh para peneliti dari Universitas Okayama telah mengungkap wawasan baru mengenai superkonduktivitas suhu tinggi dalam kuprat, yang mengungkapkan bahwa regangan uniaxial dapat memicu orde gelombang kerapatan muatan jarak jauh, sehingga memberikan informasi berharga untuk pengembangan bahan superkonduktor yang lebih efisien. Kredit: SciTechDaily.com
Para peneliti telah menemukan tatanan gelombang kerapatan muatan jarak jauh yang diinduksi regangan dalam superkonduktor suhu tinggi, yang menjelaskan mekanisme yang mendasarinya.
Superkonduktor adalah material yang mampu menghantarkan listrik tanpa hambatan apa pun saat didinginkan di bawah suhu tertentu yang dikenal sebagai suhu kritis. Material ini digunakan dalam berbagai aplikasi seperti jaringan listrik, kereta maglev, dan peralatan pencitraan medis. Superkonduktor suhu tinggi, yang beroperasi pada suhu kritis yang lebih tinggi daripada superkonduktor konvensional, sangat menjanjikan untuk meningkatkan teknologi ini. Meskipun demikian, mekanisme yang mendasari superkonduktivitasnya belum sepenuhnya dipahami.
Oksida tembaga atau kuprat, golongan superkonduktor suhu tinggi, menunjukkan superkonduktivitas saat elektron dan lubang (ruang kosong yang ditinggalkan oleh elektron) dimasukkan ke dalam struktur kristalnya melalui proses yang disebut doping. Menariknya, dalam keadaan doping rendah, dengan elektron yang kurang optimal diperlukan untuk superkonduktivitas, celah semu – celah parsial dalam struktur elektronik – terbuka. Celah semu ini dianggap sebagai faktor potensial dalam asal usul superkonduktivitas dalam bahan-bahan ini.
a. Hasil penelitian menunjukkan bahwa superkonduktivitas (SC) dan CDW jarak jauh dapat hidup berdampingan sementara peningkatan regangan menekan superkonduktivitas dan meningkatkan orde CDW. b. Pada regangan 0,15%, orde CDW jarak pendek bertransisi menjadi orde CDW jarak jauh. Kredit: Shinji Kawasaki dari Universitas Okayama
Selain itu, penelitian sebelumnya telah mengungkapkan adanya gelombang kerapatan muatan jarak jauh (CDW) dalam rezim kuprat berdoping rendah yang memecah simetri kristal oksida tembaga (CuO2) bidang. CDW adalah pola elektron seperti gelombang berulang yang memengaruhi konduktivitas material. Pemecahan simetri ini penting karena superkonduktivitas diketahui muncul di dalam atau di dekat keadaan simetri yang rusak. Selain itu, dalam superkonduktor kuprat berbasis bismut, Bi2Tuan2-xItuXCuO6+jam (Bi2201), telah ditunjukkan bahwa medan magnet yang kuat dapat menginduksi orde CDW pemutusan simetri jarak jauh. Meskipun penelitian telah dilakukan secara ekstensif, peran pasti fenomena ini dalam terjadinya superkonduktivitas dalam kuprat masih belum diketahui.
Dalam sebuah studi baru, tim peneliti yang dipimpin oleh Associate Professor Shinji Kawasaki dari Departemen Fisika di Universitas Okayama, Jepang menyelidiki asal usul superkonduktivitas suhu tinggi dalam keadaan pseudogap kuprat menggunakan pendekatan baru. Prof. Kawasaki menjelaskan, “Dalam studi ini, kami telah menemukan keberadaan orde CDW jarak jauh dalam Bi2201 yang didoping secara optimal, yang disebabkan oleh regangan tarik-tekan yang diterapkan oleh sel regangan uniaxial yang digerakkan piezo baru, yang secara sengaja memecah simetri kristal CuO2 pesawat.” Temuan mereka dipublikasikan dalam jurnal Komunikasi Alam pada tanggal 14 Juni 2024. Tim tersebut termasuk Ibu Nao Tsukuda dan Profesor Guo-qing Zheng, juga dari Universitas Okayama, dan Dr. Chengtian Lin dari Max-Planck-Institut fur Festkorperforschung, Jerman.
Penemuan dan Implikasi
Para peneliti menggunakan teknik resonansi magnetik nuklir (NMR) untuk mengamati perubahan dalam struktur elektronik superkonduktor Bi2201 yang didoping optimal saat regangan tekan dan tarik uniaxial diterapkan pada material tersebut. Hasilnya mengungkapkan bahwa ketika regangan melebihi 0,15%, material tersebut mengalami transformasi yang signifikan, dengan orde CDW jarak pendek bertransisi menjadi orde CDW jarak jauh. Lebih jauh lagi, peningkatan regangan menekan superkonduktivitas sekaligus meningkatkan orde CDW, yang menunjukkan bahwa baik superkonduktivitas maupun CDW jarak jauh dapat hidup berdampingan. Hasil ini menunjukkan bahwa orde CDW jarak jauh yang tersembunyi, tidak terbatas pada rezim doping rendah, ada dalam keadaan pseudogap cuprates, yang menjadi jelas di bawah regangan.
“Temuan ini menantang kepercayaan umum bahwa magnetisme adalah pendorong utama dalam oksida tembaga dan memberikan wawasan berharga untuk membangun model teoritis superkonduktivitas,” kata Prof. Kawasaki. Menyoroti potensi penerapan studi ini, ia menambahkan, “Temuan studi ini sangat menjanjikan untuk menjelaskan mekanisme yang mendasari superkonduktivitas suhu tinggi, membuka jalan bagi pengembangan bahan superkonduktor yang lebih praktis. Superkonduktor suhu tinggi memiliki potensi besar untuk transmisi dan penyimpanan daya tanpa kehilangan daya, berkontribusi signifikan terhadap konservasi energi dan upaya mencapai netralitas karbon. Lebih jauh lagi, penerapan superkonduktor dalam teknologi MRI berpotensi mengurangi biaya dan membuat pencitraan medis canggih lebih mudah diakses.”
Secara keseluruhan, penelitian ini menandai langkah signifikan menuju pemahaman asal-usul superkonduktivitas suhu tinggi, menyoroti pentingnya regangan uniaxial sebagai alat yang berharga untuk memahami superkonduktivitas pada superkonduktor serupa lainnya.
Referensi: “Urutan gelombang kepadatan muatan jarak jauh yang diinduksi regangan dalam superkonduktor Bi2Sr2−xLaxCuO6 yang didoping optimal” oleh Shinji Kawasaki, Nao Tsukuda, Chengtian Lin dan Guo-qing Zheng, 14 Juni 2024, Komunikasi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41467-024-49225-w
Penelitian ini didanai oleh JSPS KAKENHI dan Yayasan Sains dan Pendidikan Murata (SK).
