Pita Datar pada Logam Kagome Dapat Membuka Kunci Superkonduktor Masa Depan

Kemajuan Baru dalam Superkonduktor Kagome

Superkonduktor adalah material yang menghantarkan listrik tanpa hambatan, namun hingga kini, mereka hanya berfungsi di bawah kondisi ekstrem. Logam kagome mungkin mengubah hal itu.”
Ini memberikan dasar bagi pembaca yang mungkin tidak menguasai fisika.

Pada November 2024, kami membahas sebuah material baru untuk teori magnetik baru, dikembangkan oleh peneliti di Rice University.

This discovery was built upon sebuah publikasi 2022, di mana peneliti menemukan bahwa “kagome material,” sebuah jenis kristal logam, menunjukkan sifat magnetik yang mengejutkan.

Namanya diambil dari pola anyaman kagome yang digunakan dalam kerajinan tradisional Jepang, atau ubin triheksagonal, dengan segitiga yang saling tumpang tindih dan ruang kosong heksagonal besar.

Sumber: Research Gate

Dengan cara yang serupa, material kagome, seperti misalnya kristal besi-germanium magnetik, tersusun dalam pola ini pada tingkat atom.

Logam kagome berbasis kromium lainnya, CsCr₃Sb₅ (cesium-kromium-antimoni), tampaknya memiliki potensi besar untuk komponen elektronik masa depan, termasuk superkonduktor, isolator topologis, dan elektronik berbasis spin, menurut makalah terbaru oleh peneliti Rice University, yang diterbitkan dalam Nature Communications¹, dengan judul “Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor”.

Sifat Magnetik & Elektronik Material Kagome

Sudah pada tahun 2022, sifat unik material kagome telah diperhatikan:

• Efek magnetik membutuhkan elektron mengalir di sekitar segitiga kagome, mirip dengan superkonduktivitas.
  • Meskipun efek magnetik dan gelombang kepadatan muatan ini bukan superkonduktivitas dalam arti konvensional, peneliti telah mengkonfirmasi bahwa fenomena semacam itu pada material kagome dapat bertahan bahkan pada suhu kamar dan kondisi tekanan normal. Hal ini menjadikannya batu loncatan berharga menuju penemuan superkonduktor dengan suhu lebih tinggi.
• Kehadiran “gelombang kepadatan muatan”, di mana elektron “bergabung” menjadi satu gelombang kolektif, yang secara bersama-sama membawa arus listrik.
  • Berbeda dengan superkonduktivitas “normal”, ini muncul dalam lonjakan, seperti air yang menetes dari keran, bukan aliran elektron yang kontinu.
• Meskipun menampilkan gelombang kepadatan muatan, material kagome juga menunjukkan sifat magnetik, yang biasanya merupakan dua sifat yang tidak kompatibel.

Secara keseluruhan, sifat sangat teratur material kagome dapat memudahkan studi fenomena pada batas pemahaman kita tentang elektromagnetisme, seperti “superkonduktivitas tidak konvensional” atau “fluktuasi terus-menerus antara keadaan magnetik dalam cairan spin kuantum”.

Membuat Superkonduktor Kagome

Pita Datar Elektron 

Elektron pita datar adalah elektron dalam jenis pita energi elektron khusus yang memiliki energi konstan, atau dispersi “datar”, yang berarti elektron memiliki energi kinetik yang sama terlepas dari momentum mereka.

Secara kurang teknis, ini berarti keadaan super-dense, di mana elektron dapat berperilaku seperti superkonduktor, tetapi tanpa kondisi prasyarat biasanya untuk superkonduktivitas (ultra-dingin, atau ultra-tinggi tekanan).

Sejauh ini, menstabilkan kisi kagome untuk membawa pita datar ke tingkat energi yang diperlukan telah sulit dicapai. Sampai CsCr₃Sb₅ digunakan.

“Hasil kami mengonfirmasi prediksi teoretis yang mengejutkan dan menetapkan jalur untuk merancang superkonduktivitas eksotis melalui kontrol kimia dan struktural,”
Pengcheng Dai – Rice’s Department of Physics and Astronomy

Membangun Kristal yang Tepat

CsCr₃Sb₅ secara alami mengkristal dalam kisi heksagonal berlapis.

Sumber: Nature Communications

Namun, untuk mengamati efek secara skala dan memiliki material yang akan berguna untuk aplikasi komersial di masa mendatang, diperlukan kristal yang jauh lebih besar.

Dengan menyempurnakan metode sebelumnya, para peneliti berhasil menghasilkan sampel 100 kali lebih besar daripada yang sebelumnya.

Analisis ARPES dan RIXS pada Superkonduktor Kagome CsCr₃Sb₅

Untuk memvisualisasikan struktur elektronik CsCr3Sb5, para peneliti menggunakan teknik yang disebut ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy). Teknik ini membuat peta elektron di bawah cahaya yang dihasilkan oleh akselerator partikel (sinkrotron).

Sumber: Nature Communications

Hal ini mengungkapkan tanda khas yang terkait dengan orbital molekul kompak, tanda adanya pita datar elektronik, dan mengkonfirmasi bahwa semua geometri polarisasi berkontribusi pada pembentukan pita datar.

“Hasil ARPES dan RIXS dari tim kolaboratif kami memberikan gambaran konsisten bahwa pita datar di sini bukan penonton pasif melainkan peserta aktif dalam membentuk lanskap magnetik dan elektronik.
Qimiao Si – Rice’s Department of Physics and Astronomy

Kemudian mereka menggunakan RIXS (resonant inelastic X-ray scattering) untuk mengukur keadaan eksitasi magnetik.

Ini juga mengkonfirmasi keberadaan pita datar, terlepas dari hasil ARPES.

Sumber: Nature Communications

Pengaruh Suhu pada Potensi Superkonduktivitas Kagome

Para ilmuwan kemudian memeriksa pengaruh variasi suhu pada sifat material baru ini.

Berbeda dengan material superkonduktor potensial lainnya, sifatnya lebih baik pada 140°K (-133°C / -207°F) daripada pada 10°K (-263°C / -441°F).

Sumber: Nature Communications

Secara keseluruhan, eksperimen ini tidak hanya mengidentifikasi material baru yang sangat menjanjikan tetapi juga menunjukkan bahwa geometri kisi secara langsung terhubung dengan keadaan kuantum yang muncul.

“Dengan mengidentifikasi pita datar aktif, kami telah menunjukkan hubungan langsung antara geometri kisi dan keadaan kuantum yang muncul,”
Ming Yi – Rice’s Associate Professor of Physics and Astronomy.

Aplikasi Potensial

Kerapatan keadaan dari pita datar berada pada tingkat energi dekat titik kritis kuantum, berpotensi memungkinkan superkonduktivitas.

Ini juga merupakan perbaikan dibandingkan kisi logam kagome sebelumnya, karena pita datar kagome menyediakan kerapatan keadaan tinggi di seluruh bagian material yang jauh lebih luas.

CsCr3Sb5 juga menekan gelombang kepadatan yang diamati pada material kagome lainnya, meningkatkan potensi superkonduktivitasnya lebih jauh.

Superkonduktor kagome dengan suhu tinggi atau suhu kamar akan menjadi revolusioner untuk komputasi kuantum, komponen elektronik spintronik (elektronik dengan konsumsi energi rendah), dan material topologis (mirip dengan keadaan materi baru yang dikembangkan oleh Microsoft (MSFT ) tim komputasi kuantum).

Ini juga berpotensi sebagai “hanya” superkonduktor suhu tinggi, yang dapat digunakan dalam maglev, teknologi militer, dan pembangkit listrik.

Geser untuk menggulir →

Pemimpin dalam Solusi Superkonduktivitas

American Superconductor Corporation

AMSC adalah perusahaan yang menyediakan solusi energi untuk jaringan listrik, kapal, dan energi angin. Secara umum, semakin besar atau membutuhkan daya suatu sistem, semakin banyak teknologi superkonduktor diperlukan untuk menghindari overheating.

Meskipun namanya, ASMC tidak hanya menyediakan sistem superkonduktor tetapi juga, misalnya, gear drivetrain untuk turbin angin.

Perusahaan ini memanfaatkan beberapa pendorong pertumbuhan, mulai dari tren elektrifikasi dan digitalisasi (termasuk pusat data AI), serta reshoring kapasitas manufaktur AS dan kebutuhan Angkatan Laut negara-negara Anglosfer untuk memodernisasi sebagai respons terhadap meningkatnya risiko geopolitik.

Sumber: American Superconductor Corporation

Di segmen pasokan listrik, AMSC telah melihat peningkatan pesanan yang stabil. Hal ini didorong oleh pabrik semikonduktor yang ingin dilindungi dari fluktuasi jaringan listrik, membantu jaringan mengatasi sifat intermiten energi terbarukan, serta pasokan listrik & kontrol di situs industri.

Di segmen turbin angin, AMSC sebagian besar aktif dengan Sistem Kontrol Listrik (ECS)nya. Secara historis, ESC merupakan segmen kuat bagi perusahaan dengan turbin angin 2MW, namun secara bertahap menurun. AMSC menargetkan pemulihan berkat desain turbin 3MW baru, dengan fokus khusus pada pasar India.

Sumber: American Superconductor Corporation

Untuk kapal militer, ASMC menyediakan “AMSC’s High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure,” sebuah sistem untuk mengubah tanda magnetik kapal guna melindungi mereka dari ranjau laut. Sistem ini dijual ke angkatan laut AS, Kanada, dan Inggris, dengan pesanan senilai $75 Juta sejauh ini.

Secara keseluruhan, ASMC paling berhasil memanfaatkan teknologi superkonduktor dalam aplikasi niche yang dapat diterapkan saat ini, sambil kemungkinan siap menerapkan kemajuan lebih lanjut di masa depan. Investor juga harus mencatat bahwa sahamnya telah mengalami volatilitas ekstrem di masa lalu, dan mereka harus menghitung risikonya secara tepat.

Berita dan Perkembangan Saham Terbaru American Superconductor Corporation (AMSC)

Studi yang Dirujuk

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}