Ketika hidrogen dimasukkan ke dalam struktur nikel, itu bukan superkonduktor. Kredit: TU Wien
Nikel seharusnya menandai era baru superkonduktivitas – tetapi ini terbukti lebih sulit dari yang diharapkan. Para ilmuwan di TU Wien (Wina) sekarang dapat menjelaskan alasannya.
Musim panas lalu, zaman baru untuk superkonduktivitas suhu tinggi diproklamirkan – zaman nikel. Ditemukan bahwa ada superkonduktor yang menjanjikan dalam kelas material khusus, yang disebut nikel, yang dapat menghantarkan arus listrik tanpa hambatan apa pun bahkan pada suhu tinggi.
Namun, segera menjadi jelas bahwa hasil spektakuler dari Stanford ini tidak dapat direproduksi oleh kelompok penelitian lain. TU Wien (Vienna) kini telah menemukan alasannya: Dalam beberapa nikelat, atom hidrogen tambahan dimasukkan ke dalam struktur material. Ini benar-benar mengubah perilaku listrik material. Dalam produksi superkonduktor baru, efek ini sekarang harus diperhitungkan.
Pencarian Superkonduktor Suhu Tinggi
Beberapa bahan hanya superkonduktor mendekati suhu nol mutlak — superkonduktor semacam itu tidak cocok untuk aplikasi teknis. Oleh karena itu, selama beberapa dekade, orang mencari bahan yang tetap superkonduktor bahkan pada suhu yang lebih tinggi. Pada 1980-an, “superkonduktor suhu tinggi” ditemukan. Apa yang disebut sebagai “suhu tinggi” dalam konteks ini, bagaimanapun, masih sangat dingin: bahkan superkonduktor bersuhu tinggi harus didinginkan dengan kuat untuk mendapatkan sifat superkonduktornya. Oleh karena itu, pencarian superkonduktor baru pada suhu yang lebih tinggi terus berlanjut.
“Untuk waktu yang lama, perhatian khusus diberikan pada apa yang disebut cuprates, yaitu senyawa yang mengandung tembaga. Itu sebabnya kami juga berbicara tentang zaman tembaga,” jelas Prof. Karsten Held dari Institute of Solid State Phy sics di TU Wien. “Dengan cuprate ini, beberapa kemajuan penting telah dibuat, meskipun masih banyak pertanyaan terbuka dalam teori superkonduktivitas suhu tinggi saat ini.”
Tetapi untuk beberapa waktu sekarang, kemungkinan lain juga sedang dipertimbangkan. Sudah ada yang disebut “zaman besi” berdasarkan superkonduktor yang mengandung besi. Pada musim panas 2019, kelompok riset kelompok riset Harold Y. Hwang dari Stanford kemudian berhasil mendemonstrasikan superkonduktivitas suhu tinggi pada nikelat. “Berdasarkan perhitungan kami, kami telah mengusulkan nikel sebagai superkonduktor 10 tahun yang lalu, tetapi agak berbeda dari yang sekarang telah ditemukan. Mereka terkait dengan cuprate, tetapi mengandung nikel, bukan atom tembaga, ”kata Karsten Held.
Masalah dengan Hidrogen
Namun, setelah beberapa antusiasme awal, menjadi jelas dalam beberapa bulan terakhir bahwa superkonduktor nikel lebih sulit diproduksi daripada yang diperkirakan semula. Kelompok penelitian lain melaporkan bahwa nikel mereka tidak memiliki sifat superkonduktor. Kontradiksi yang tampak ini sekarang telah diklarifikasi di TU Wien.
“Kami menganalisis nikel dengan bantuan superkomputer dan menemukan bahwa mereka sangat mudah menerima hidrogen ke dalam materi,” lapor Liang Si (TU Vienna). Dalam sintesis nikel tertentu, atom hidrogen dapat digabungkan, yang sepenuhnya mengubah sifat elektronik material. “Namun, ini tidak terjadi pada semua nikel,” kata Liang Si, “Perhitungan kami menunjukkan bahwa untuk sebagian besar nikel, lebih menguntungkan secara energetik untuk memasukkan hidrogen, tetapi tidak untuk nikel dari Stanford. Bahkan perubahan kecil dalam kondisi sintesis dapat membuat perbedaan.” Jumat lalu (24/04/2020) rombongan di sekitar Ariando Ariando dari NUS Singapura sempat mengabarkan bahwa mereka juga berhasil memproduksi nikel superkonduktor. Mereka membiarkan hidrogen yang dilepaskan dalam proses produksi segera keluar.
Menghitung Suhu Kritis dengan Superkomputer
Di TU Wien metode perhitungan komputer baru sedang dikembangkan dan digunakan untuk memahami dan memprediksi sifat-sifat nikel. “Karena sejumlah besar partikel fisika kuantum selalu berperan di sini pada saat yang sama, perhitungannya menjadi sangat rumit,” kata Liang Si, “Tetapi dengan menggabungkan berbagai metode, kami sekarang bahkan dapat memperkirakan suhu kritis hingga dimana berbagai bahan bersifat superkonduktor. Perhitungan yang andal seperti itu tidak mungkin dilakukan sebelumnya.”
Secara khusus, tim di TU Wien dapat menghitung rentang konsentrasi strontium yang diperbolehkan untuk nikelat yang menjadi superkonduktor — dan prediksi ini sekarang telah dikonfirmasi dalam percobaan.
“Superkonduktivitas suhu tinggi adalah bidang penelitian yang sangat kompleks dan sulit,” kata Karsten Held. “Superkonduktor nikel baru, bersama dengan pemahaman teoretis kami dan kekuatan prediksi perhitungan komputer, membuka perspektif baru tentang impian besar fisika keadaan padat: superkonduktor pada suhu sekitar yang karenanya bekerja tanpa pendinginan apa pun.”
Referensi: “Hidrogen Topotaktik dalam Superkonduktor Nikelat dan Akin Oksida Lapisan Tak Terbatas ABO2” oleh Liang Si, Wen Xiao, Josef Kaufmann, Jan M. Tomczak, Yi Lu, Zhicheng Zhong dan Karsten Held, 22 April 2020, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.166402
