MIT Mengonfirmasi Superkonduktivitas Tidak Konvensional pada MATTG

Superkonduktivitas terjadi ketika elektron berpasangan, bukan tersebar terpisah seperti yang terjadi pada konduktor normal atau bahan sehari-hari. Elektron yang berpasangan ini disebut “Cooper pairs,” yang menghasilkan aliran arus yang sempurna tanpa resistansi.

Sifat luar biasa ini diamati pada superkonduktor ketika mereka didinginkan di bawah suhu “kritikal” tertentu. Selain memungkinkan arus mengalir tanpa batas tanpa kehilangan energi, bahan ini juga mengusir medan magnet, yang memungkinkan mereka melayang.

Sementara superkonduktor konvensional, seperti yang terbuat dari aluminium, memerlukan suhu yang sangat rendah, para peneliti sedang aktif mengembangkan bahan yang dapat menjadi superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi, lebih praktis, sebuah langkah yang dapat merevolusi energi dan teknologi kuantum.

Peneliti di MIT kini telah mencapai terobosan ini. Mereka mengamati celah energi berbentuk V yang khas, yang mengindikasikan superkonduktivitas tidak konvensional pada graphene sudut ajaib, menandai kemajuan penting menuju superkonduktor pada suhu kamar.

Grafena Sudut Ajaib & ‘Twistronics’: Bagaimana Rotasi Lapisan Mengubah Fisika

Sejak penemuan graphene “magic-angle”, topik ini telah menimbulkan banyak kegembiraan di dunia ilmiah, dengan peneliti mengungkap beragam fenomena kuantum eksotis mulai dari keadaan isolator terkorrelasi dan superkonduktivitas tidak konvensional hingga magnetisme yang dapat disetel dan fase topologis.

Pada tahun 2018, tim fisikawan di MIT, dipimpin oleh Pablo Jarillo-Herrero, pertama kali menciptakan dan mengamati efek graphene sudut ajaib.

Mereka mendeteksi sifat elektronik yang tidak biasa, seperti superkonduktivitas, ketika dua lapisan graphene ditumpuk pada sudut yang sangat spesifik. Struktur terpilin tersebut dikenal sebagai magic-angle twisted bilayer graphene, atau MATBG.

Graphene adalah lapisan tunggal karbon, yang hanya setebal satu atom dan memiliki kisi sarang lebah. Penyusunan atom karbon dalam pola heksagonal menyerupai anyaman kawat ayam dan menunjukkan kekuatan, ketahanan, serta kemampuan menghantarkan panas dan listrik yang luar biasa.

Sementara itu, bilayer graphene adalah tumpukan dua lapisan di mana kedua kisi diorientasikan dengan cara tertentu. 

Dalam bilayer graphene murni, Jarillo-Herrero dan timnya mengamati perilaku isolator Mott (fenomena di mana suatu bahan menjadi isolator karena tolak-menolak elektron-elektron yang kuat, meskipun seharusnya menjadi konduktor) ketika kedua lapisan dipelintir pada sudut ajaib.

Hal ini memicu pengembangan “twistronics”, sebuah teknik baru yang menjanjikan untuk menyesuaikan sifat elektronik graphene dengan memutar lapisan berdekatan dari material tersebut. 

Metode tersebut kemudian digunakan oleh tim peneliti dari MIT, Harvard University, dan NIMS di Jepang untuk membuat bilayer terpilin menjadi superkonduktor dengan menerapkan medan listrik.

Seiring waktu, banyak peneliti menyelidiki berbagai struktur graphene berlapis banyak, yang menunjukkan tanda-tanda superkonduktivitas tidak konvensional.

Pada tahun 2021, fisikawan Harvard berhasil menumpuk tiga lapisan graphene dan memelintirnya pada sudut ajaib untuk menghasilkan sistem tiga lapisan yang menunjukkan superkonduktivitas kuat¹ pada suhu yang lebih tinggi dibandingkan banyak sistem graphene berlapis ganda. Karena sensitif terhadap medan listrik yang diterapkan secara eksternal, hal ini juga memungkinkan tim menyesuaikan superkonduktivitas dengan mengatur kekuatan medan tersebut.

Eksperimen ini membantu ilmuwan memahami bahwa superkonduktivitas struktur trilayer disebabkan oleh interaksi elektron-elektron yang kuat, yang membuatnya lebih tahan terhadap suhu yang lebih tinggi. 

Tahun yang sama, peneliti Princeton melaporkan kemiripan yang mencengangkan² antara superkonduktivitas graphene ajaib dan superkonduktor suhu tinggi.

Menggunakan mikroskop tunneling pemindaian (STM), mereka menemukan bahwa elektron berpasangan memiliki momentum sudut terbatas. Penelitian lain memperhatikan bagaimana perilaku material superkonduktor berubah ketika keadaan superkonduktor dipadamkan dengan meningkatkan suhu atau menerapkan medan magnet. Sementara elektron terpisah dalam superkonduktor konvensional, pada yang tidak konvensional, beberapa korelasi masih dipertahankan.

MIT Membuka Jalan Menuju Superkonduktor Suhu Ruangan

Kemampuan superkonduktor menghantarkan listrik tanpa resistansi menjadikannya kunci bagi teknologi seperti pemindai MRI, transmisi dan penyimpanan energi, komputasi canggih, serta akselerator partikel.

Namun superkonduktor konvensional hanya beroperasi pada suhu yang sangat dingin. Oleh karena itu, mereka harus disimpan dalam sistem pendinginan khusus agar tetap berada dalam keadaan superkonduktor.

Jika bahan-bahan ini dapat menjadi superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi dan lebih mudah diakses, mereka dapat mendefinisikan ulang sistem teknologi di seluruh dunia. Dengan tujuan ini, ilmuwan di MIT sedang menyelidiki superkonduktor tidak konvensional yang menyimpang dari perilaku tradisional.

Baru-baru ini, fisikawan MIT mengamati fenomena ini pada “magic-angle” twisted tri-layer graphene (MATTG), memberikan konfirmasi langsung bahwa MATTG dapat menampung superkonduktivitas tidak konvensional³.

Seperti yang dicatat oleh Jeong Min Park, co-lead author studi ini, pada superkonduktor konvensional, elektron dalam ‘Cooper pairs’ berada sangat jauh satu sama lain, dan terikat lemah, tidak seperti pada graphene sudut ajaib, di mana “kami sudah dapat melihat tanda-tanda bahwa pasangan ini sangat terikat erat, hampir seperti molekul. Ada petunjuk bahwa ada sesuatu yang sangat berbeda tentang material ini.”

Walaupun studi sebelumnya memberikan petunjuk, hal itu belum dikonfirmasi secara tepat. Seperti yang dicatat dalam studi, memahami sifat superkonduktivitas pada graphene sudut ajaib telah menjadi tantangan, dengan kesulitan utama dalam membedakan celah superkonduktor.

Namun tim MIT berhasil mengukur celah superkonduktor MATTG, mengungkap kekuatan keadaan superkonduktornya pada berbagai suhu. Apa yang mereka temukan adalah celah pada MATTG yang sepenuhnya berbeda dari pada superkonduktor konvensional, menunjukkan bahwa menjadi superkonduktor pada MATTG bergantung pada mekanisme yang tidak biasa.
Geser untuk menggulir →

Seperti yang dicatat oleh co-lead author studi, Shuwen Sun, mahasiswa pascasarjana di Departemen Fisika MIT, tidak ada satu melainkan banyak mekanisme berbeda yang dapat menghasilkan superkonduktivitas pada material, dan celah superkonduktorlah yang memberikan petunjuk mengenai mekanisme tertentu yang dapat mengarah pada superkonduktor suhu kamar untuk merevolusi energi dan teknologi.

“Ketika suatu material menjadi superkonduktor, elektron bergerak bersama sebagai pasangan bukan secara individual, dan terdapat celah energi yang mencerminkan bagaimana mereka terikat. Bentuk dan simetri celah tersebut memberi tahu kita sifat dasar superkonduktivitas.”

– Park

Untuk membuktikan penemuan mereka tentang mekanisme tidak konvensional, tim menggunakan sistem eksperimental baru yang memungkinkan mereka mengamati secara langsung bagaimana celah superkonduktor terbentuk pada material dua dimensi (2D).

Untuk ini, para peneliti memanfaatkan spektroskopi tunneling. Dalam teknik skala kuantum ini, elektron berperan sebagai gelombang dan partikel, memungkinkan mereka “menembus” melalui penghalang yang biasanya akan menghentikannya. Dengan mempelajari kemudahan elektron menembus material, peneliti mengetahui seberapa kuat mereka terikat di dalamnya.

Dalam kasus ini, tim menembuskan elektron antara dua lapisan MATTG untuk mengukur keadaan superkonduktornya.

Metode ini saja, bagaimanapun, tidak selalu membuktikan superkonduktivitas suatu material, sehingga pengukuran langsung menjadi penting namun menantang. Oleh karena itu, tim menggabungkan spektroskopi tunneling dengan pengukuran transport listrik, yang melacak bagaimana arus mengalir melalui material sambil memantau resistensinya.

Tim menggunakan pendekatan ini pada MATTG dan dengan jelas mengidentifikasi celah tunneling superkonduktor, yang muncul hanya ketika material mencapai resistansi nol.

Dengan mengubah suhu dan medan magnet, celah ini menunjukkan kurva berbentuk V yang tajam, bukan pola datar halus yang biasanya terlihat pada superkonduktor konvensional. Menurut studi, celah superkonduktor energi rendah yang unik ini menghilang pada suhu kritis superkonduktor dan medan magnet.

Bentuk yang khas menunjukkan mekanisme baru yang mendasari superkonduktivitas MATTG, yang meskipun belum diketahui, memperjelas bahwa material ini berperilaku berbeda dari superkonduktor konvensional mana pun.

Pada kebanyakan superkonduktor, elektron berpasangan karena getaran pada kisi atom di sekitarnya, yang mendorong mereka bersama. Namun pada MATTG, kata Park, pasangan tersebut mungkin disebabkan oleh interaksi elektronik kuat, yang berarti “elektron itu sendiri membantu satu sama lain berpasangan, membentuk keadaan superkonduktor dengan simetri khusus.”

Teknik yang memungkinkan tim mengamati secara langsung celah superkonduktor, kombinasi spektroskopi tunneling dan pengukuran transport, kini akan digunakan untuk mempelajari berbagai material terpilin dan berlapis.

Dengan pengaturan yang memungkinkan tim “mengidentifikasi dan mempelajari struktur elektronik dasar superkonduktivitas dan fase kuantum lainnya saat terjadi, dalam sampel yang sama,” Park mencatat bahwa “pandangan langsung ini dapat mengungkap bagaimana elektron berpasangan dan bersaing dengan keadaan lain, membuka jalan untuk merancang dan mengendalikan superkonduktor baru serta material kuantum yang suatu hari dapat memberi daya pada teknologi yang lebih efisien atau komputer kuantum.”

Mereka juga akan menggunakan pengaturan eksperimental ini untuk mempelajari MATTG serta material 2D lainnya secara lebih detail guna menemukan kandidat baru yang menjanjikan untuk teknologi canggih.

“Memahami satu superkonduktor tidak konvensional dengan sangat baik dapat memicu pemahaman kita tentang yang lainnya,” kata penulis senior studi, Jarillo-Herrero, yang merupakan Profesor Fisika Cecil dan Ida Green di MIT. “Pemahaman ini dapat membimbing desain superkonduktor yang berfungsi pada suhu kamar, misalnya, yang merupakan semacam Holy Grail seluruh bidang ini.”

Peran Geometri Kuantum dalam Membuat Elektron Menjadi Superfluid

Walaupun penemuan terbaru MIT pada magic-angle trilayer graphene menandai lompatan besar menuju pemahaman superkonduktivitas tidak konvensional, studi komplementer juga membantu mengisi detail kunci, seperti seberapa mudah pasangan elektron mengalir melalui material ini.

Diketahui bahwa elektron dalam material superkonduktor bergerak tanpa gesekan, namun seberapa mudah pasangan elektron dapat mengalir tergantung pada faktor seperti densitasnya. Istilah “superfluid stiffness” menggambarkan seberapa tahan suatu sistem superkonduktor terhadap perubahan aliran pasangan elektronnya, menjadikannya indikator kunci superkonduktivitas.

Awal tahun ini, fisikawan di MIT dan Harvard University secara langsung mengukur superfluid stiffness pada magic-angle graphene⁴ untuk lebih memahami bagaimana material tersebut menjadi superkonduktor. 

Dengan studi ini, tujuan adalah mengidentifikasi mekanisme yang bertanggung jawab atas superkonduktivitas pada magic-angle graphene, yang terutama ditentukan oleh geometri kuantum, atau ‘bentuk’ konseptual dari keadaan kuantum dalam suatu material.

Sekarang, untuk mengukur superfluid stiffness secara langsung, tim mengembangkan teknik eksperimental baru yang juga dapat digunakan untuk melakukan pengukuran serupa pada material superkonduktor 2D lainnya, yang “memiliki seluruh keluarga… menunggu untuk dipelajari.”

Pada material seperti MATBG, pasangan elektron, atau Cooper pairs, dapat membentuk superfluid, artinya mereka dapat bergerak melalui material sebagai arus tanpa usaha. Namun meskipun tidak ada resistansi, masih diperlukan dorongan dalam bentuk medan listrik untuk menggerakkan arus.

“Superfluid stiffness mengacu pada seberapa mudah partikel-partikel ini bergerak, untuk menggerakkan superkonduktivitas.“

– Penulis co-lead studi Joel Wang, ilmuwan riset di Laboratorium Riset Elektronik MIT (RLE)

Superfluid stiffness ini biasanya diukur dengan metode yang menempatkan material superkonduktor dalam resonator gelombang mikro, sebuah perangkat yang beresonansi pada frekuensi gelombang mikro. Dalam resonator gelombang mikro, material mengubah baik frekuensi resonansi maupun induktansi kinetik secara proporsional dengan superfluid stiffness-nya.

Namun teknik ini hanya kompatibel dengan sampel yang 10 hingga 100 kali lebih besar dan lebih tebal daripada MATBG, yang berarti pendekatan baru diperlukan untuk mengukur superfluid stiffness pada superkonduktor yang sangat tipis secara atomik.

Sekarang, tantangan melakukan hal itu dengan material yang sangat rapuh seperti MATBG adalah menempelkannya pada permukaan resonator gelombang mikro tanpa mengganggu kelancarannya. Ini berarti membuat “kontak yang ideal tanpa kehilangan — yaitu superkonduktor — antara dua material,” atau sinyal gelombang mikro yang dikirim akan terdegradasi atau hanya memantul kembali.

Jadi, tim pertama merakit MATBG menggunakan teknik fabrikasi standar dan kemudian menutupnya di antara dua lembar isolator hexagonal boron nitride untuk mempertahankan struktur atomik yang rapuh dan sifat intrinsiknya.

Resonator sebagian besar terbuat dari aluminium, dengan sedikit MATBG ditambahkan di ujungnya. Untuk menghubungkan MATBG, tim mengukirnya sangat tajam, memperlihatkan sisi MATBG yang baru dipotong, yang kemudian aluminium ditanamkan untuk “membuat kontak yang baik dan membentuk lead aluminium,” yang dihubungkan ke resonator gelombang mikro aluminium yang lebih besar. 

Tim mengirimkan sinyal gelombang mikro melalui resonator ini, mengukur pergeseran frekuensi resonansinya, dan menyimpulkan induktansi kinetik MATBG. Setelah mengonversi induktansi yang diukur menjadi nilai superfluid stiffness, tim menemukan bahwa nilainya jauh lebih besar daripada yang diprediksi oleh teori superkonduktivitas konvensional.

“Kami melihat peningkatan sepuluh kali lipat dalam superfluid stiffness dibandingkan harapan konvensional, dengan ketergantungan suhu yang konsisten dengan apa yang diprediksi oleh teori geometri kuantum,” kata co-lead author Miuko Tanaka. “Ini adalah ‘bukti kuat’ yang menunjukkan peran geometri kuantum dalam mengatur superfluid stiffness pada material dua dimensi ini.“

Berinvestasi dalam Teknologi Superkonduktor

American Superconductor Corporation (AMSC ) adalah perusahaan teknologi energi yang memproduksi sistem superkonduktor canggih. Perusahaan ini fokus pada komersialisasi teknologi superkonduktor yang ada dan penerapannya pada jaringan listrik dunia nyata serta aplikasi angkatan laut.

AMSC adalah penyedia terkemuka solusi ketahanan daya skala megawatt, termasuk Gridtec, Marinetec, dan Windtec. 

Melalui solusi ini, perusahaan menyediakan sistem jaringan canggih untuk mengoptimalkan kinerja, efisiensi, dan keandalan jaringan, solusi propulsi dan manajemen daya untuk meningkatkan kualitas daya dan keselamatan operasional, serta kontrol elektronik dan sistem turbin angin.