Selama beberapa dekade, sekelompok kristal telah membingungkan fisikawan dengan kemampuan superkonduktornya yang membingungkan — yaitu, membawa arus listrik tanpa hambatan apa pun — pada suhu yang jauh lebih hangat daripada bahan lain.
Sekarang, percobaan bertahun-tahun dalam pembuatan telah superkonduktivitas yang divisualisasikan secara langsung pada skala atom di salah satu kristal ini, akhirnya mengungkapkan penyebab fenomena yang memuaskan hampir semua orang. Elektron tampaknya mendorong satu sama lain ke dalam aliran tanpa gesekan dengan cara yang pertama kali dikemukakan oleh teori terhormat yang hampir setua misteri itu sendiri.
"Bukti ini benar-benar indah dan langsung," kata Subir Sachdev, seorang fisikawan di Universitas Harvard yang membangun teori kristal, yang dikenal sebagai cuprates, dan tidak terlibat dalam eksperimen tersebut.
“Saya telah menangani masalah ini selama 25 tahun, dan saya harap saya telah menyelesaikannya,” kata JC Seamus Davis, yang memimpin eksperimen baru di Universitas Oxford. “Saya benar-benar senang.”
Pengukuran baru cocok dengan prediksi berdasarkan teori, yang menghubungkan superkonduktivitas cuprate dengan fenomena kuantum yang disebut superexchange. “Saya kagum dengan kesepakatan kuantitatif,” kata Andre-Marie Tremblay, seorang fisikawan di University of Sherbrooke di Kanada dan pemimpin kelompok yang membuat prediksi tahun lalu.
Penelitian memajukan ambisi abadi bidang ini: untuk mengambil superkonduktivitas cuprate dan memperkuat mekanisme yang mendasarinya, untuk merancang bahan pengubah dunia yang mampu menghasilkan listrik superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi. Superkonduktivitas suhu kamar akan membawa efisiensi sempurna untuk elektronik sehari-hari, saluran listrik, dan lainnya, meskipun tujuannya tetap jauh.
“Jika kelas teori ini benar,” kata Davis, mengacu pada teori pertukaran super, “seharusnya mungkin untuk menggambarkan bahan sintetis dengan atom yang berbeda di lokasi yang berbeda" yang suhu kritisnya lebih tinggi.
Dua Lem
Fisikawan telah berjuang dengan superkonduktivitas sejak pertama kali diamati pada tahun 1911. Ilmuwan Belanda Heike Kamerlingh Onnes dan kolaboratornya mendinginkan kawat merkuri hingga sekitar 4 kelvin (yaitu, 4 derajat di atas nol mutlak) dan menyaksikan dengan takjub saat hambatan listrik anjlok ke nol . Elektron dengan cekatan melewati kawat tanpa menghasilkan panas ketika mereka bertabrakan dengan atomnya — asal mula resistensi. Dibutuhkan "usaha seumur hidup," kata Davis, untuk mencari tahu caranya.
Membangun wawasan eksperimental utama dari pertengahan 1950-an, John Bardeen, Leon Cooper, dan John Robert Schrieffer menerbitkan teori pemenang Hadiah Nobel mereka bentuk superkonduktivitas konvensional ini pada tahun 1957. "Teori BCS," seperti yang dikenal sekarang, menyatakan bahwa getaran yang bergerak melalui deretan atom "merekatkan" elektron bersama-sama. Saat elektron bermuatan negatif terbang di antara atom, ia menarik inti atom bermuatan positif ke arahnya dan memicu riak. Riak itu menarik elektron kedua. Mengatasi tolakan listrik yang sengit, kedua elektron membentuk "pasangan Cooper."
“Ini adalah tipuan alam yang sebenarnya,” kata Jorg Schmalian, seorang fisikawan di Institut Teknologi Karlsruhe di Jerman. "Pasangan Cooper ini tidak seharusnya terjadi."
Ketika elektron berpasangan, tipuan kuantum lebih lanjut membuat superkonduktivitas tidak dapat dihindari. Biasanya, elektron tidak dapat tumpang tindih, tetapi pasangan Cooper mengikuti aturan mekanika kuantum yang berbeda; mereka bertindak seperti partikel cahaya, berapa pun jumlahnya dapat menumpuk di kepala peniti. Banyak pasangan Cooper berkumpul dan bergabung menjadi satu keadaan mekanika kuantum, sebuah "cairan super", yang menjadi tidak menyadari atom-atom yang dilewatinya.
Teori BCS juga menjelaskan mengapa merkuri dan sebagian besar elemen logam lainnya menjadi superkonduktor ketika didinginkan mendekati nol mutlak tetapi berhenti melakukannya di atas beberapa kelvin. Riak atom menghasilkan lem yang paling lemah. Nyalakan api, dan atom akan bergoyang dan menghilangkan getaran kisi.
Kemudian pada tahun 1986, peneliti IBM Georg Bednorz dan Alex Müller menemukan lem elektron yang lebih kuat dalam cuprates: kristal yang terdiri dari lembaran tembaga dan oksigen yang diselingi di antara lapisan elemen lain. Setelah mereka mengamati cuprate superkonduktor pada 30 kelvin, para peneliti segera menemukan orang lain yang superkonduktor di atas 100, dan kemudian di atas 130 kelvin.
Terobosan ini meluncurkan upaya luas untuk memahami lem yang lebih keras yang bertanggung jawab atas superkonduktivitas "suhu tinggi" ini. Mungkin elektron berkumpul bersama untuk menciptakan konsentrasi muatan yang tidak merata dan beriak. Atau mungkin mereka berinteraksi melalui putaran, sifat intrinsik elektron yang mengarahkannya ke arah tertentu, seperti magnet ukuran kuantum.
Almarhum Philip Anderson, seorang peraih Nobel Amerika dan legenda serba bisa dalam fisika benda terkondensasi, mengemukakan sebuah teori hanya beberapa bulan setelah superkonduktivitas suhu tinggi ditemukan. Di jantung lem, menurutnya, terdapat fenomena kuantum yang dijelaskan sebelumnya yang disebut superexchange — gaya yang timbul dari kemampuan elektron untuk melompat. Ketika elektron dapat melompat di antara beberapa lokasi, posisinya pada satu saat menjadi tidak pasti, sementara momentumnya menjadi terdefinisi dengan tepat. Momentum yang lebih tajam dapat menjadi momentum yang lebih rendah, dan karenanya merupakan keadaan energi yang lebih rendah, yang secara alami dicari oleh partikel.
Hasilnya adalah bahwa elektron mencari situasi di mana mereka dapat melompat. Sebuah elektron lebih suka menunjuk ke bawah ketika tetangganya menunjuk ke atas, misalnya, karena perbedaan ini memungkinkan dua elektron melompat di antara atom yang sama. Dengan cara ini, pertukaran super membentuk pola putaran elektron naik-turun-naik-turun yang teratur di beberapa bahan. Itu juga mendorong elektron untuk menjaga jarak tertentu. (Terlalu jauh, dan mereka tidak bisa melompat.) Daya tarik efektif inilah yang diyakini Anderson dapat membentuk pasangan Cooper yang kuat.
Eksperimental telah lama berjuang untuk menguji teori seperti Anderson, karena sifat material yang dapat mereka ukur, seperti reflektifitas atau resistensi, hanya menawarkan ringkasan kasar dari perilaku kolektif triliunan elektron, bukan pasangan.
“Tidak ada teknik tradisional fisika benda terkondensasi yang pernah dirancang untuk memecahkan masalah seperti ini,” kata Davis.
Super-Eksperimen
Davis, seorang fisikawan Irlandia dengan laboratorium di Oxford, Cornell University, University College Cork dan Sekolah Penelitian Max Planck Internasional untuk Kimia dan Fisika Bahan Quantum di Dresden, secara bertahap mengembangkan alat untuk meneliti cuprates pada tingkat atom. Eksperimen sebelumnya mengukur kekuatan superkonduktivitas material dengan mendinginkannya hingga mencapai suhu kritis di mana superkonduktivitas dimulai - dengan suhu yang lebih hangat menunjukkan lem yang lebih kuat. Tetapi selama dekade terakhir, kelompok Davis telah menyempurnakan cara untuk menempelkan lem di sekitar atom individu.
Mereka memodifikasi teknik mapan yang disebut scanning tunneling microscopy, yang menyeret jarum melintasi permukaan, mengukur arus elektron yang melompat di antara keduanya. Dengan menukar ujung logam normal jarum dengan ujung superkonduktor dan menyapukannya melintasi cuprate, mereka mengukur arus pasangan elektron daripada individu. Ini memungkinkan mereka memetakan kerapatan pasangan Cooper yang mengelilingi setiap atom — ukuran langsung superkonduktivitas. Mereka menerbitkan gambar pertama dari segerombolan pasangan Cooper in Alam di 2016.
Pada tahun yang sama, sebuah eksperimen oleh fisikawan Tiongkok memberikan bukti utama mendukung teori pertukaran super Anderson: Mereka menunjukkan bahwa semakin mudah elektron melompat antara atom tembaga dan oksigen dalam cuprate tertentu, semakin tinggi suhu kritis cuprate (dan dengan demikian semakin kuat lemnya). Davis dan rekan-rekannya berusaha untuk menggabungkan dua pendekatan dalam kristal cuprate tunggal untuk lebih meyakinkan mengungkapkan sifat lem.
Momen “aha” itu datang dalam pertemuan kelompok melalui Zoom pada tahun 2020, katanya. Para peneliti menyadari bahwa cuprate yang disebut bismuth strontium calcium copper oxide (BSCCO, atau "bisko," singkatnya) memiliki fitur aneh yang memungkinkan eksperimen impian mereka. Di BSCCO, lapisan atom tembaga dan oksigen terjepit menjadi pola bergelombang oleh lembaran atom di sekitarnya. Ini memvariasikan jarak antara atom-atom tertentu, yang pada gilirannya mempengaruhi energi yang dibutuhkan untuk melompat. Variasi tersebut menyebabkan sakit kepala bagi para ahli teori, yang menyukai kisi-kisi mereka rapi, tetapi hal itu memberi para eksperimentalis persis apa yang mereka butuhkan: kisaran energi lompatan dalam satu sampel.
Mereka menggunakan mikroskop pemindaian tradisional dengan ujung logam untuk menempelkan elektron ke beberapa atom dan mengambilnya dari yang lain, memetakan energi yang melompat melintasi cuprate. Mereka kemudian menukar ujung cuprate untuk mengukur kerapatan pasangan Cooper di sekitar setiap atom.
Kedua peta itu berbaris. Di mana elektron berjuang untuk melompat, superkonduktivitas lemah. Di mana melompat mudah, superkonduktivitas kuat. Hubungan antara energi lompatan dan kerapatan pasangan Cooper sangat cocok dengan hubungan yang canggih prediksi numerik dari tahun 2021 oleh Tremblay dan rekan, yang berpendapat bahwa hubungan ini harus mengikuti teori Anderson.
Lem Super Pertukaran Super
Temuan Davis bahwa energi lompatan terkait dengan kekuatan superkonduktivitas, diterbitkan bulan ini di Prosiding National Academy of Sciences, sangat menyiratkan bahwa superexchange adalah lem super yang memungkinkan superkonduktivitas suhu tinggi.
“Ini adalah karya yang bagus karena membawa teknik baru untuk menunjukkan lebih jauh bahwa ide ini memiliki kaki,” kata Ali Yazdani, seorang fisikawan di Universitas Princeton yang telah mengembangkan teknik serupa untuk mempelajari cuprates dan contoh eksotis lainnya superkonduktivitas secara paralel dengan kelompok Davis.
Tapi Yazdani dan peneliti lain mengingatkan bahwa masih ada kemungkinan, betapapun kecilnya, bahwa kekuatan lem dan kemudahan melompat bergerak sejalan untuk beberapa alasan lain, dan bahwa bidang tersebut jatuh ke dalam perangkap korelasi-sama-penyebab klasik. Bagi Yazdani, cara nyata untuk membuktikan hubungan sebab akibat adalah dengan memanfaatkan pertukaran super untuk merekayasa beberapa superkonduktor baru yang mencolok.
“Jika sudah selesai, mari kita tingkatkan Tc, ”katanya, mengacu pada suhu kritis.
Superexchange bukanlah ide baru, jadi banyak peneliti telah memikirkannya bagaimana memperkuatnya?, mungkin dengan menekan lebih lanjut kisi tembaga dan oksigen atau bereksperimen dengan pasangan elemen lain. “Sudah ada prediksi di atas meja,” kata Tremblay.
Tentu saja, membuat sketsa cetak biru atom dan merancang bahan yang sesuai dengan keinginan peneliti tidaklah cepat atau mudah. Selain itu, tidak ada jaminan bahwa bahkan cuprate yang dipesan lebih dahulu akan mencapai suhu kritis yang jauh lebih tinggi daripada cuprate yang sudah kita ketahui. Kekuatan superexchange bisa memiliki langit-langit yang keras, seperti halnya getaran atom. Beberapa peneliti adalah menyelidiki calon untuk jenis lem yang sama sekali berbeda dan berpotensi lebih kuat. Yang lain memanfaatkan tekanan yang tidak wajar untuk menopang getaran atom tradisional.
Tetapi hasil Davis dapat memberi energi dan memfokuskan upaya ahli kimia dan ilmuwan material yang bertujuan untuk mengangkat superkonduktor cuprate ke tingkat yang lebih tinggi.
“Kreativitas orang-orang yang mendesain bahan tidak terbatas,” kata Schmalian. “Semakin yakin kita bahwa mekanismenya benar, semakin alami untuk berinvestasi lebih jauh ke dalam yang satu ini.”
