Bahan SuperkonduktorSuperkonduktor pertama kali ditemukan oleh Heike Kamerlingh Onnes, seorang fisikawan asal Belanda dari Universitas Leiden. Pada 10 Juli 1908, Onnes berhasil mencairkannya hingga suhu 4K atau -269C. Pada 1911, ia mulai mempelajari sifat-sifat listrik pada logam yang bersuhu sangat rendah. Pada waktu itu telah diketahui bahwa hambatan suatu logam akan turun ketika didinginkan dibawah suhu ruang, akan tetapi belum ada yang dapat mengetahui berapa batas bawah hambatan yang dicapai ketika temperatur logam mendekati 0 K atau nol mutlak. Beberapa ahli ilmuwan pada waktu itu seperti William Kelvin memperkirakan bahwa elektron yang mengalir dalam konduktor akan berhenti ketika suhu mencapai nol mutlak. Dilain pihak, ilmuwan yang lain termasuk Onnes memperkirakan bahwa hambatan akan menghilang pada keadaan tersebut. Untuk mengetahui yang sebenarnya terjadi, Onnes kemudian mengalirkan arus pada kawat merkuri yang sangat murni dan kemudian mengukur hambatannya sambil menurunkan suhunya. Pada suhu 4,2 K, Onnes terkejut ketika mendapatkan bahwa hambatannya tiba-tiba menjadi hilang. Arus mengalir melalui kawat merkuri terus menerus (serlyputri.blogspot.com; 2013). Demikian dengan tidak adanya hambatan yang mengalir maka mengakibatkan arus mengalir dengan energi yang kekal.Memanfaatkan zat padat atau material padat yang memiliki sifat dan karaketristik prinsip dari daya hantar (konduktivitas) kelistrikan membuatnya untuk dapat mengalirkan arus listrik dalam suatu rangkaian tertutup pada kumparan superkonduktor dan kemudian melepaskan sumber arus (tegangan di matikan atau dihilangkan; dibuat nol), lalu diukur arus ternyata arus masih tetap mengalir pada rangkaian tersebut, oleh karenanya fenomena ini disebut sebagai superkonduktor atau superkonduktivitas. Bahan konduktor merupakan bahan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Bahan konduktor yang ada sekarang ini masih memiliki nilai resistansi atau hambatan listrik yang masih dapat menyebabakan disipasi atau hilangnya sebagian energi listrik yang di ubah menjadi panas.Penemuan di bidang superkonduktor memberikan fenomena berhasilnya disintesisnya suatu bahan organik yang bersifat superkonduktor, yaitu (TMTSF)2PF6. Titik kritis senyawa organik ini masih sangat rendah yaitu 1,2 K. ditemukan suatu keramik yang bersifat superkonduktor pada suhu 90 K yang menggunakan nitrogen cair sebagai pendinginnya. Karena, suhunya cukup tinggi dibandingkan dengan material superkonduktor yang lain, maka material-material tersebut diberi nama superkonduktor suhu tinggi. Suhu tertinggi suatu bahan menjadi superkonduktor hingga saat ini adalah 138 K, yaitu untuk suatu bahan yang memiliki rumus Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33.A. Pengertian SuperkonduktorSuperkonduktor adalah suatu material yang mengalami fenomena memiliki tidak memiliki hambatan listrik atau tanpa adanya sumber tergangan, namun memiliki arus yang mengalir dengan energinya tetap ada. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner; menghilangkan garis medan magnet dari interior superkonduktor karena transisi pada batas superkonduktor tersebut. Oleh karenanya terjadinya efek ini menunjukkan bahwa superkonduktivitas yang tidak dapat dipahami hanya sebagai idealisasi konduktivitas sempurna dalam fisika klasik

Gambar 2.1. Medan magnet akibat pembelokan dari logam superkonduktor

Dalam superkonduktor, perlawanan turun tiba-tiba menjadi nol ketika material didinginkan di bawah temperatur kritis. Arus listrik yang mengalir dalam loop kawat superkonduktor dapat bertahan tanpa batas waktu tanpa sumber listrik. Superkonduktor membutuhkan suhu yang sangat dingin, pada urutan 39 kelvin (minus 234 C, dikurangi 389 F) untuk superkonduktor konvensional.

B. Sifat dan Karakteristik Bahan SuperkonduktorHal umum yang dapat dinyatakan dalam mempelajari semikonduktor ialah mengenal sifat-sifatnya tersebut. hal ini penting, karena akan mengarahkan pada analis bahan-bahan katagori sebagai bahan semikonduktor. Sifat-sifatnya adalah1. Sifat KelistrikanBahan logam tersusun dari kisi-kisi dan basis serta elektron bebas. Ketika medan listrik diberikan pada bahan, elektron akan mendapat percepatan. Medan listrik akan menghamburkan elektron ke segala arah dan menumbuk atom-atom pada kisi. Hal ini menyebabkan adanya hambatan listrik pada logam konduktor. Pada bahan superkonduktor terjadi juga interaksi antara elektron dengan inti atom. Namun elektron dapat melewati inti tanpa mengalami hambatan dari atom kisi. Pada superkonduktor elektron membentuk pasangan Cooper (Cooper pair) dalam satu keadaan kuantum pada tingkat energi terendah. Proses ini dikenal sebagai Kondensasi Bose-Einstein. Aliran Cooper pair ini bergerak sebagai satu entitas. Untuk mengeluarkan satu Cooper pair dari aliran ini, elektron harus didorong ke energi quantum state yang lebih tinggi. Sementara, tabrakan dengan ion logam tidak melibatkan cukup energi untuk melakukannya. Oleh karena itu, arus listrik dapat mengalir tanpa kehilangan energi.2. Sifat KemagnetanSifat lain dari superkonduktor yaitu bersifat diamagnetisme sempurna. Jika sebuah superkonduktor ditempatkan pada medan magnet, maka tidak akan ada medan magnet dalam superkonduktor. Hal ini terjadi karena superkonduktor menghasilkan medan magnet dalam bahan yang berlawanan arah dengan medan magnet luar yang diberikan. Efek yang sama dapat diamati jika medan magnet diberikan pada bahan dalam suhu normal kemudian didinginkan sampai menjadi superkonduktor. Pada suhu kritis, medan magnet akan ditolak. Efek ini dinamakan Efek Meissner; membuat sebuah magnet melayang diatas superkonduktor. Gambar berikut ini menunjukkan fenomena melayngnya magnet atau gejala levitasi yang terjadi pada bahan superkonduktor. Gejala levitasi ini dimanfaatkan dalam pembuatan kereta supercepat MAGLEV.

Gambar 2.2. Gejala Levitasi3. Sifat Quantum SuperkonduktorTeori dasar Quantum untuk superkonduktor dirumuskan melalui tulisan Bardeen, Cooper dan Schriefer pada tahun 1957. Teori dinamakan teori BCS. Fungsi gelombang BCS menyusun pasangan partikel dan Ini adalah bentuk lain dari pasangan partikel yang mungkin dengan Teori BCS. Teori BCS menjelaskan bahwa: Interaksi tarik menarik antara elektron dapat menyebabkan keadaan dasar terpisah dengan keadaan tereksitasi oleh energi gap.Interaksi antara elektron, elektron dan kisi menyebabkan adanya energi gap yang diamati. Mekanisme interaksi yang tidak langsungini terjadi ketika satu elektron berinteraksi dengan kisi dan merusaknya. Elektron kedua memanfaatkan keuntungan dari deformasi kisi. Kedua elektron ini beronteraksi melalui deformasi kisi.4. Efek MeissnenKetika superkonduktor ditempatkan di medan magnet luar yang lemah, medan magnet akan menembus superkonduktor pada jarak yang sangat kecil dan dinamakan London Penetration Depth. Pada bahan superkonduktor umumnya London Penetration Depth sekitar 100 nm. Setelah itu medan magnet bernilai nol. Peristiwa ini dinamakan Efek Meissner dan merupakan karakteristik dari superkonduktor. Efek Meissner adalah efek dimana superkonduktor menghasilkan medan magnet. Efek Meissner ini sangat kuat sehingga sebuah magnet dapat melayang karena ditolak oleh superkonduktor. Medan magnet ini juga tidak boleh terlalu besar. Apabila medan magnetnya terlalu besar, maka efek Meissner ini akan hilang dan material akan kehilangan sifat superkonduktivitasnya.

Gambar 2.3. Efek MeissnerSuhu dan Medan Magnet KritisSuhu kritis adalah suhu yang membatasi antara sifat konduktor dan superkonduktor. Jika suhu suatu bahan dinaikan, maka getaran elektron akan bertambah sehingga banyak Phonons yang dipancarkan. Ketika mencapai suhu kritis tertentu, maka Phonons akan memecahkan Cooper Pairs dan bahan kembali ke keadaan normal. Contoh grafik Hambatan terhadap suhu pada bahan YBa2Cu3O7 sebagai berikut,

Gambar 2.4. Grafik Hambatan terhadap SuhuMedan magnet kritis adalah batas kuatnya medan magnet sehingga bahan superkonduktor memiliki medan magnet. Jika medan magnet yang diberikan pada bahan superkonduktor, maka bahan superkonduktor tak akan mengalami efek meissner lagi.C. Jenis Bahan dan Tipe Superkonduktor1. Bahan SuperkonduktorBahan semikonduktor yang pertama ditemukan adalah raksa oleh Heike Kammerlingh Onnes pada tahun 1911. Selain merkuri, ternyata beberapa unsur-unsur lainnya juga menunjukkan sifat superkonduktor dengan harga Tc yang berbeda. Beberapa contoh bahan superkonduktor yang berhasil ditemukan dan suhu kritisnya,Tabel 1. Bahan SuperkonduktorNo.BahanSuhu Kritis (Tc) KTahun Ditemukan

1Raksa Hg4,21911

2Timbal Pb7,21913

3Niobium Nitrida161960-an

4Niobium-3-Timah8,11960-an

5Al0,8Ge0,2Nb320,71960-an

6Niobium germanium23,21973

7Lanthanum barium Tembaga oksida281985

8Yttrium barium tembaga oksida (1-2-3 atau YBCO)931987

9Thalium barium kalsium Tembaga oksida125-

10Karbon ( C )15-

11HgBa2Ca2Cu3O81641995

2. Tipe Tipe SuperkonduktorBerdasarkan interaksi dengan medan magnetnya, maka superkonduktor dapat dibagi menjadi dua tipe yaitu Superkonduktor Tipe I dan Superkonduktor Tipe II.a. Superkonduktor Tipe ISuperkonduktor tipe I menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer) dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion-ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang berkelakuan seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan normal. Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan adalah unsur-unsur tunggal.b. Superkonduktor Tipe IISuperkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS karena apabila superkonduktor jenis II ini dijelaskan dengan teori BCS, efek Meissner nya tidak terjadi. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan bagaimana medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini. Lebih lanjut ia pun dengan secara mendetail dapat memprediksikan jumlah pusaran yang tumbuh seiring meningkatnya medan magnet. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet. Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap. Pada suhu kritis, maka bahan akan kembali ke keadaan semula. Superkonduktor Tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I. Kelompok superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.

D. Cara Pembuatan SuperkonduktorBerikut ini beberapa cara pembuatan superkonduktor dengan tipenya masing-masing;1. Cara pembuatan semikonduktor tipe- nCara pembuatan semikonduktor tipe-n adalah dengan menambahkan atom pengotor pentavalen (antimony, phosporus atau arsenic) pada silikon murni. Atom pengotor ini mempunyai 5 elektron valensi sehingga memiliki muatan sebesar +5q. Pada saat atom pentavalen menempati atom silicon pada kisi kristal, hanya 4 elektron valensi yang dapat membentuk ikatan kovalen lengkap, sisanya yaitu sebuah elektron akan menjadi elektron bebas apabila diberi tekanan thermal.Atom bebas tersebut siap untuk menghantarkan listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut dengan semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari atom netral. Karena atom ini memberikan elektron maka bisa disebut dengan atom pendonor.2. Cara pembuatan semikondukter tipe- pSemikonduktor tipe-p dibuat sengan cara menambahkan atom trivalen (aluminium, boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni. atom-atom ini mempunyai 3 elektron valensi sehingga hanya dapat membuat maksimal 3 ikatan kovalen lengkap, nantinya akan tersisa 1 muatan positif dari atom silikon yang tidak berpasangan.Proses ini disebut proses pembuatan semikonduktor tipe-p karena menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Atom tersebut juga menerima elektron sehingga disebut dengan atom aseptor (acceptor).E. Pemanfaatan SuperkonduktorDasar penggunaan semikonduktor adalah terbentuknya sambungan p-n (p-n juncktion), dimana semikonduktor tipe-p dan tipe-n digabungkan yang merupakan dasar terjadinya terjadinya revolusi industri akibat ditemukan transisistor oleh wiliam Shocklye, John Barden dan Walter Brattain di laboratorium Bell pada tahun 1948. Pemanfaatn superkonduktor antara lain;1. Kereta MagLev (Magnetic Levitation Train)Superkonduktor dapat digunakan dalam pembuatan teknologi transportasi, seperti kereta supercepat. Di Jepang, kereta api supercepat ini diberi nama The Yamanashi MLX01 MagLev Train, dimana kereta ini dapat melayang diatas magnet superkonduktor. Dengan melayang, maka gesekan antara roda dengan rel dapat dihilangkan dan akibatnya kereta dapat berjalan dengan sangat cepat, sampai 343 mph (550 km/jam).2. Generator listrik super-efisienSuatu perusahaan amerika, American Superkonduktor Corp, diminta untuk memasang suatu sistem penstabil listrik yang diberi nama Distributed Superconducting Magnetic Energy Storage System (D-SMES). Satu unit D-SMES dapat menyimpan energi listrik sebesar 3 MegaWatt yang dapat digunakan untuk menstabilkan listrik apabila terjadi gangguan listrik.3. Kabel Listrik Super efisienUntuk transmisi listrik dapat digunakan kabel dari bahan superkonduktor dengan pendingin nitrogen untuk menggantikan kabel tembaga. Menurut perhitungan, arus yang dapat ditransmisikan akan jauh meningkat, karena 250 pon kabel superkonduktor dapat menggantikan 18.000 pon kabel tembaga.4. SuperkomputerDibidang komputer, superkonduktor digunakan untuk membuat suatu superkomputer dengan kemampuan berhitung yang fantastis.