Para peneliti telah menemukan bukti bahwa superkonduktivitas dapat dikendalikan dengan mengubah lingkungan material, sebuah kemajuan yang pada akhirnya dapat menghasilkan elektronik yang lebih efisien dan teknologi kuantum yang lebih kuat.
Superkonduktivitas memungkinkan material tertentu mengangkut listrik tanpa kehilangan energi ketika didinginkan di bawah suhu kritis. Meskipun para ilmuwan telah mempelajari fenomena ini selama beberapa dekade, banyak mekanisme yang mendasarinya masih kurang dipahami. Lebih memahami bagaimana bentuk superkonduktivitas dapat membantu peneliti merancang material yang lebih baik dan meningkatkan perangkat elektronik dan kuantum di masa depan.
Grafena yang terpelintir mengungkapkan perilaku yang tidak biasa
Penelitian yang dipimpin oleh Chun Ning (Jeanie) Lau, seorang profesor fisika di Ohio State University, berfokus pada bahan yang dirancang khusus yang disebut twisted bilayer graphene. Bahannya dibuat dengan menumpuk dua lembar karbon dan memutarnya sedikit relatif satu sama lain.
Tim peneliti menggabungkan struktur graphene dengan strontium titanate, bahan sintetis mirip berlian. Pengaturan ini memungkinkan para ilmuwan untuk mengamati dan mempengaruhi bagaimana elektron berinteraksi di dalam sistem.
Interaksi elektronik memainkan peran utama dalam menentukan sifat-sifat seperti magnet dan ikatan kimia. Dalam superkonduktor, elektron bergabung dengan cara khusus yang memungkinkan listrik mengalir tanpa hambatan. Dengan menyesuaikan lingkungan di sekitar material, tim menemukan bahwa mereka dapat memperkuat atau melemahkan interaksi ini dan secara efektif menghidupkan dan mematikan superkonduktivitas.
“Elektron biasanya menolak satu sama lain, namun dalam superkonduktor mereka membentuk pasangan; pembentukan pasangan ini adalah kunci kemampuan superkonduktor untuk menghantarkan listrik tanpa disipasi,” kata Lau. “Bukti kami menunjukkan bahwa elektron itu sendiri, bergantung pada kepekaannya terhadap lingkungan terdekatnya, memainkan peran yang sangat penting dalam perubahan material.”
Penemuan menantang teori tradisional tentang superkonduktor
Para peneliti terkejut dengan salah satu temuan mereka. Ketika mereka meningkatkan penyesuaian tertentu dalam material, superkonduktivitas menjadi lebih lemah dan bukannya lebih kuat.
Perilaku ini berbeda dari apa yang biasanya diamati oleh para ilmuwan pada superkonduktor konvensional, di mana pengurangan gaya tolak menolak antar elektron biasanya meningkatkan superkonduktivitas. Hasil yang tidak terduga ini menyoroti bagaimana bahan yang tidak biasa seperti graphene bilayer bengkok dapat berperilaku sangat berbeda dari superkonduktor tradisional.
“Jika kita dapat menyalurkan listrik tanpa kehilangan energi, hal ini akan sangat penting bagi teknologi yang digunakan dalam kehidupan kita sehari-hari,” kata Lau. “Meskipun ada pertanyaan mendasar yang masih memerlukan jawaban, penelitian ini pada dasarnya membuka jalan bagi mekanisme fisik jenis baru.”
Penemuan ini juga dapat membantu para peneliti untuk bergerak lebih dekat ke salah satu tujuan paling penting di bidang ini: mengembangkan superkonduktor yang beroperasi pada suhu yang jauh lebih tinggi, bahkan mungkin pada suhu kamar. Pencapaian tonggak sejarah ini dapat mengubah secara radikal bidang elektronik, sistem komunikasi, dan teknologi transmisi daya.
Potensi elektronik yang lebih efisien
Hasilnya, dipublikasikan di Fisika alammenyarankan metode yang lebih sederhana untuk mengendalikan kondisi yang diperlukan untuk penciptaan superkonduktivitas.
Banyak superkonduktor suhu tinggi saat ini menghadapi keterbatasan yang mengurangi kinerjanya. Para peneliti percaya bahwa memanipulasi lingkungan dari bahan-bahan ini dapat memberikan cara baru untuk meningkatkan kemampuan mereka dan meningkatkan efisiensi elektronik masa depan.
Menurut penulis utama Xueshi Gao, seorang mahasiswa doktoral fisika di Ohio State, tim berharap hasilnya berguna untuk berbagai eksperimen dan sistem material di bidang ini.
“Mekanisme superkonduktivitas dalam sistem graphene bilayer terpelintir yang kami gunakan belum dipahami dengan baik,” kata Gao. “Tetapi hasil kami dapat memberikan pencerahan dan membantu orang lebih memahami konsep tersebut ketika mereka menerapkannya pada pekerjaan di masa depan.”
Para peneliti merencanakan eksperimen lebih lanjut
Para ilmuwan mengingatkan bahwa penelitian ini merupakan langkah pertama menuju pemahaman interaksi elektronik kompleks yang lebih luas. Penelitian di masa depan akan mengeksplorasi jenis interaksi lain dan menyelidiki pertanyaan fisika lain yang diajukan oleh penelitian ini.
“Kami menunjukkan kemampuan yang belum pernah kami tunjukkan sebelumnya, sehingga banyak orang di lapangan yang sangat antusias dengan hasil ini,” kata Lau.
Rekan penulis Ohio State lainnya termasuk Aatmaj Rajesh, Emilio Codecido, Daria Sharifi, Zheneng Zhang, Youwei Liu dan Marc Bockrath. Kolaborator juga termasuk Alejandro Jimeno-Pozo, Pierre Pantaleon dan Paco Guinea dari Imdea Nanoscience di Spanyol, serta Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi dari National Institute of Materials Science di Jepang.
Penelitian ini didukung oleh Departemen Energi dan National Science Foundation.
