Superkonduktor suatu hari nanti dapat membantu memberi daya pada generasi baru perangkat elektronik yang sangat efisien, namun kendala teknis yang besar telah membatasi teknologi tersebut untuk digunakan di laboratorium penelitian. Kini, para ilmuwan di Universitas Teknologi Chalmers di Swedia telah mengembangkan pendekatan baru yang mengatasi salah satu tantangan terbesar di bidang ini: mempertahankan superkonduktivitas pada suhu yang lebih tinggi sambil menahan medan magnet yang kuat.
Terobosan ini dapat membantu mendekatkan teknologi superkonduktor ke penggunaan praktis dalam elektronik, sistem energi, dan perangkat kuantum.
Perangkat digital modern, pusat data, dan jaringan teknologi informasi dan komunikasi (TIK) bertanggung jawab atas sekitar 6-12% konsumsi listrik global. Ketika permintaan energi terus meningkat, para peneliti mencari cara untuk membuat perangkat elektronik lebih efisien.
Superkonduktor sangat menarik karena dapat mengalirkan arus listrik tanpa kehilangan energi. Berbeda dengan sistem elektronik konvensional yang membuang energi sebagai panas, superkonduktor dapat menyalurkan listrik tanpa hambatan. Secara teori, hal ini dapat membuat jaringan listrik, elektronik, dan teknologi kuantum ratusan kali lebih efisien.
Mengapa superkonduktor sulit digunakan
Meskipun menjanjikan, superkonduktor menghadapi beberapa kendala yang membatasi penerapannya di dunia nyata.
Salah satu tantangannya adalah suhu. Banyak superkonduktor hanya beroperasi pada suhu yang sangat rendah, seringkali sekitar minus 200 derajat Celcius. Untuk mencapai dan mempertahankan suhu tersebut memerlukan sistem pendingin yang kompleks dan boros energi.
Medan magnet menghadirkan masalah besar lainnya. Medan magnet yang kuat dapat melemahkan atau bahkan menghilangkan superkonduktivitas. Hal ini sangat penting karena banyak sistem elektronik canggih dan teknologi kuantum menghasilkan atau mengandalkan medan magnet.
Untuk digunakan dalam skala besar, bahan superkonduktor harus mampu beroperasi pada suhu yang lebih tinggi (idealnya mendekati suhu kamar) namun tetap stabil di lingkungan magnet yang kuat.
Strategi berbeda untuk superkonduktivitas yang lebih kuat
Para peneliti telah menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk mencoba meningkatkan superkonduktor dengan mengubah komposisi kimianya, namun kemajuannya masih terbatas. Tim Chalmers memutuskan untuk mengambil pendekatan berbeda.
“Dengan membentuk permukaan tempat superkonduktor berada, kami dapat menginduksi superkonduktivitas pada suhu yang jauh lebih tinggi dibandingkan sebelumnya. Kami juga menemukan bahwa material tersebut tetap menjadi superkonduktor bahkan ketika terkena medan magnet yang kuat,” jelas Floriana Lombardi, profesor fisika perangkat kuantum di Chalmers dan penulis utama studi yang diterbitkan di Komunikasi alami.
Bagaimana Perubahan Kecil di Permukaan Membuat Perbedaan Besar
Para peneliti bekerja dengan bahan oksida tembaga dari keluarga cuprate. Cuprate sudah diketahui menunjukkan superkonduktivitas pada suhu yang relatif tinggi, namun struktur kimianya sulit diubah setelah diproduksi.
Lapisan superkonduktor yang digunakan dalam penelitian ini tebalnya hanya beberapa nanometer, atau kurang dari sepersejuta ketebalan rambut manusia. Bahan ultra tipis tersebut harus ditanam di atas dasar pendukung yang disebut substrat, yang berfungsi sebagai cetakan selama pembuatan.
Terobosan datang dari modifikasi substrat itu sendiri pada skala nano.
“Karena atom-atom dalam substrat tersusun dalam pola tertentu, mereka dapat ‘memandu’ bagaimana atom-atom dalam lapisan superkonduktor diendapkan. Dengan mengubah desain permukaan substrat, kami dapat mempengaruhi sifat-sifat superkonduktor dan memastikan bahwa sifat-sifat tersebut tetap terjaga, bahkan pada suhu yang lebih tinggi dan ketika medan magnet tinggi diterapkan,” jelas Eric Walhberg, peneliti di RISE Research Institutes Swedia.
Sebelum menambahkan film superkonduktor, tim vakum mengolah substrat pada suhu tinggi. Proses ini menciptakan pola punggung bukit dan lembah kecil yang teratur di permukaan.
Fitur mikroskopis ini memodifikasi lingkungan elektronik tempat bertemunya substrat dan lapisan superkonduktor, menciptakan kondisi yang mendukung superkonduktivitas yang lebih kuat.
“Kami dapat melihat bagaimana sifat-sifat elektron mulai memiliki arah preferensial di wilayah antarmuka ini dan berperilaku sedemikian rupa sehingga menstabilkan dan memperkuat keadaan superkonduktor,” kata Lombardi.
Prinsip desain baru untuk superkonduktor masa depan
Hasilnya memperkenalkan cara berpikir baru tentang bahan superkonduktor. Daripada hanya berfokus pada penemuan material baru atau mengubah sifat kimianya, para peneliti dapat meningkatkan kinerja dengan merancang secara cermat permukaan tempat material tersebut ditanam.
“Daripada mencari material baru atau memanipulasi sifat kimia material yang sudah ada, kami kini menunjukkan bagaimana superkonduktivitas dapat ditingkatkan dengan membentuk substrat,” kata Lombardi.
Para peneliti percaya bahwa strategi ini pada akhirnya dapat membantu superkonduktor beroperasi pada suhu yang jauh lebih tinggi, atau bahkan mendekati suhu kamar.
Penelitian ini juga menunjukkan penerapan masa depan dalam bidang elektronik hemat energi, komponen kuantum canggih, dan teknologi yang perlu beroperasi di medan magnet yang kuat.
“Hal ini menunjukkan bahwa perubahan yang sangat kecil pada skala nano dapat mempunyai efek yang menentukan dan bahkan dapat membuka potensi penuh superkonduktivitas dalam elektronik di masa depan,” jelas Lombardi.
Detail studi
Studi “Meningkatkan superkonduktivitas pada YBa ultra tipis2Cu3Oh7−δ film melalui substrat nanofaceted”, diterbitkan dalam jurnal Komunikasi alami.
Penulisnya adalah Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexei Kalaboukhov, David Vignolles, Cyril Proust, Annica M. Black-Schaffer, Thilo Bauch, Götz Seibold dan Floriana Lombardi.
Para peneliti yang terlibat dalam proyek ini berafiliasi dengan Chalmers University of Technology, RISE Research Institutes of Sweden, Ca’ Foscari University of Venice, Italia, Birla Institute of Technology and Science – Pilani, KK Birla Campus Goa, India, Indian Institute of Science Education and Research (IISER), India, Uppsala University, Swedia, Université Grenoble Alpes, University of Toulouse, di INSA-T, Perancis, dan di Institut für Physik, BTU Cottbus-Senftenberg, Jerman.
Sebagian penelitian dilakukan di Myfab Chalmers, sebuah ruangan bersih.
Pendanaan disediakan oleh Dewan Riset Swedia (VR), Yayasan Knut dan Alice Wallenberg, Uni Eropa melalui hibah EIC Pathfinder, dan Deutsche Forschungsgemeinschaft.
