Lompatan Kuantum dalam Superkonduktivitas: Terobosan Tekanan Tinggi Harvard
Rendering pusat kekosongan nitrogen oleh seniman dalam sel landasan berlian, yang dapat mendeteksi pengusiran medan magnet oleh superkonduktor bertekanan tinggi. Kredit: Ella Marushchenko
Ilmuwan Harvard telah membuat kemajuan signifikan dalam fisika tekanan tinggi dengan menciptakan alat yang secara langsung menggambarkan material superkonduktor dalam kondisi ekstrem, sehingga memfasilitasi penemuan baru di bidang hidrida superkonduktor.
Hidrogen (seperti kebanyakan dari kita) bertindak aneh di bawah tekanan. Teorinya memperkirakan bahwa ketika dihancurkan oleh beban yang beratnya lebih dari satu juta kali lipat atmosfer kita, unsur yang ringan, berlimpah, dan biasanya berbentuk gas ini pertama-tama akan menjadi logam, dan yang lebih aneh lagi, menjadi superkonduktor – bahan yang dapat menghantarkan listrik tanpa hambatan.
Para ilmuwan sangat ingin memahami dan akhirnya memanfaatkan senyawa superkonduktor kaya hidrogen, yang disebut hidrida, untuk aplikasi praktis – mulai dari kereta melayang hingga detektor partikel. Namun mempelajari perilaku material ini dan material lainnya di bawah tekanan yang sangat besar dan berkelanjutan bukanlah hal yang praktis, dan mengukur secara akurat perilaku tersebut berkisar antara mimpi buruk dan mustahil.
Terobosan dalam Pengukuran Tekanan Tinggi
Seperti yang dilakukan kalkulator untuk aritmatika, dan ChatGPT untuk menulis esai lima paragraf, peneliti Harvard berpendapat bahwa mereka memiliki alat dasar untuk masalah pelik tentang cara mengukur dan menggambarkan perilaku superkonduktor hidrida pada tekanan tinggi. Penerbitan di Alammereka melaporkan secara kreatif mengintegrasikan sensor kuantum ke dalam perangkat penginduksi tekanan standar, memungkinkan pembacaan langsung sifat listrik dan magnetik material bertekanan.
Inovasi tersebut merupakan hasil kolaborasi jangka panjang antara Profesor Fisika Norman Yao ’09, Ph.D. ’14, dan profesor Universitas Boston serta mantan rekan pascadoktoral Harvard Christopher Laumann ’03, yang bersama-sama melepaskan diri dari latar belakang teori mereka ke dalam pertimbangan praktis pengukuran tekanan tinggi beberapa tahun lalu.
Merevolusi Fisika Tekanan Tinggi
Cara standar untuk mempelajari hidrida di bawah tekanan ekstrem adalah dengan instrumen yang disebut sel landasan berlian, yang memeras sejumlah kecil material di antara dua antarmuka berlian yang sangat cemerlang. Untuk mendeteksi kapan suatu sampel sudah cukup tergencet untuk menjadi superkonduktor, fisikawan biasanya mencari tanda ganda: penurunan hambatan listrik hingga nol, serta tolakan medan magnet di dekatnya, alias Efek Meissner (Inilah sebabnya superkonduktor keramik , bila didinginkan dengan nitrogen cair, akan melayang di atas magnet).
Masalahnya terletak pada menangkap detail tersebut. Untuk memberikan tekanan yang diperlukan, sampel harus ditahan di tempatnya dengan paking yang mendistribusikan pemerasan secara merata, dan kemudian ditutup dalam sebuah ruangan. Hal ini membuat sulit untuk “melihat” apa yang terjadi di dalam, sehingga fisikawan harus menggunakan solusi yang melibatkan banyak sampel untuk mengukur efek yang berbeda secara terpisah.
“Bidang hidrida superkonduktor telah menjadi sedikit kontroversial, sebagian karena teknik pengukuran pada tekanan tinggi sangat terbatas,” kata Yao. “Masalahnya adalah Anda tidak bisa hanya memasukkan sensor atau probe ke dalamnya, karena semuanya tertutup dan berada pada tekanan yang sangat tinggi. Hal ini membuat akses terhadap informasi lokal dari dalam ruangan menjadi sangat sulit. Akibatnya, belum ada yang benar-benar mengamati tanda ganda superkonduktivitas dalam satu sampel.”
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti merancang dan menguji retrofit yang cerdas: Mereka mengintegrasikan lapisan tipis sensor, yang terbuat dari cacat alami pada kisi kristal atom berlian, langsung ke permukaan landasan berlian. Mereka menggunakan sensor kuantum efektif yang disebut pusat kekosongan nitrogen untuk menggambarkan wilayah di dalam ruangan saat sampel diberi tekanan dan melintasi wilayah superkonduktor. Untuk membuktikan konsep mereka, mereka bekerja dengan cerium hidrida, bahan yang dikenal menjadi superkonduktor pada tekanan sekitar satu juta atmosfer, atau yang oleh fisikawan disebut sebagai rezim megabar.
Alat baru ini dapat membantu bidang ini tidak hanya dengan memungkinkan penemuan hidrida superkonduktor baru, namun juga dengan memungkinkan akses yang lebih mudah ke karakteristik yang didambakan dalam material yang ada, untuk studi lanjutan.
“Anda dapat membayangkan hal ini karena Anda sekarang membuat sesuatu dalam sel landasan intan (kekosongan nitrogen), dan Anda dapat segera melihat bahwa ‘area ini sekarang menjadi superkonduktor, sedangkan area ini tidak,’ Anda dapat mengoptimalkan sintesis Anda dan menghasilkan cara untuk membuat sampel yang jauh lebih baik,” kata Laumann.
Referensi: “Pencitraan efek Meissner pada superkonduktor hidrida menggunakan sensor kuantum” oleh P. Bhattacharyya, W. Chen, X. Huang, S. Chatterjee, B. Huang, B. Kobrin, Y. Lyu, TJ Smart, M. Block, E. Wang, Z. Wang, W. Wu, S. Hsieh, H. Ma, S. Mandyam, B. Chen, E. Davis, ZM Geballe, C. Zu, V. Struzhkin, R. Jeanloz, JE Moore, T. Cui, G. Galli, BI Halperin, CR Laumann dan NY Yao, 28 Februari 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07026-7
Departemen Energi AS mendukung penelitian ini.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
