Terobosan Fisika: Superkonduktivitas Unkonvensional Graphene Sudut Ajaib

Pernahkah Anda membayangkan sebuah dunia di mana energi dapat mengalir tanpa kehilangan sedikit pun? Seperti kereta ekspres yang melaju kencang tanpa hambatan di jalurnya, itulah gambaran ideal dari superkonduktor. Material istimewa ini memungkinkan listrik mengalir melaluinya dengan efisiensi energi yang luar biasa, tanpa hambatan sedikit pun. Saat ini, superkonduktor telah dimanfaatkan dalam berbagai aplikasi canggih, mulai dari mesin MRI yang membantu diagnosis medis hingga akselerator partikel yang digunakan dalam penelitian fisika.

Namun, ada satu batasan besar yang menghalangi superkonduktor "konvensional" untuk digunakan secara lebih luas: mereka harus didinginkan hingga suhu sangat rendah, mendekati nol absolut, menggunakan sistem pendingin yang rumit dan mahal. Bayangkan jika superkonduktor ini bisa berfungsi pada suhu yang lebih hangat, bahkan suhu ruang! Tentunya, ini akan membuka gerbang ke dunia teknologi baru yang revolusioner, seperti kabel listrik tanpa rugi, jaringan listrik yang sangat efisien, hingga sistem komputasi kuantum yang praktis dan kuat.

Mengejar "cawan suci" superkonduktivitas suhu ruang inilah yang mendorong para ilmuwan di Massachusetts Institute of Technology (MIT) dan berbagai institusi lainnya untuk mempelajari superkonduktor "unkonvensional". Material-material ini menunjukkan sifat superkonduktivitas dengan cara yang berbeda, dan berpotensi jauh lebih menjanjikan dibandingkan superkonduktor yang kita kenal saat ini. Sebuah terobosan penting baru-baru ini telah dilaporkan oleh para fisikawan MIT, di mana mereka berhasil mengamati bukti kunci superkonduktivitas unkonvensional dalam graphene tiga lapis sudut ajaib (MATTG).

Menguak Keajaiban Graphene Sudut Ajaib

Graphene sendiri adalah material karbon yang luar biasa, terdiri dari satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam pola heksagonal, mirip jaring kawat ayam. Ia dapat diisolasi dengan mengelupas serpihan setipis atom dari balok grafit (bahan yang sama dengan isi pensil). Pada tahun 2010-an, para teoretikus memprediksi bahwa jika dua lapisan graphene ditumpuk pada sudut yang sangat spesifik, struktur yang dihasilkan akan menunjukkan perilaku elektronik yang eksotis.

Pada tahun 2018, Profesor Pablo Jarillo-Herrero dan rekan-rekannya di MIT menjadi yang pertama berhasil memproduksi graphene sudut ajaib dalam eksperimen dan mengamati beberapa sifatnya yang luar biasa. Penemuan ini kemudian memicu lahirnya bidang studi baru yang dikenal sebagai "twistronics", yaitu studi tentang material yang sangat tipis dan diputar secara presisi. Kelompok riset Jarillo-Herrero telah meneliti konfigurasi graphene sudut ajaib lainnya dengan dua, tiga, dan bahkan lebih banyak lapisan, serta struktur tumpuk dan putar dari material 2D lainnya. Pekerjaan mereka, bersama kelompok lain, telah mengungkapkan beberapa tanda superkonduktivitas unkonvensional pada beberapa struktur tersebut.

MATTG adalah salah satu bentuk yang menarik, dibuat dengan menumpuk tiga lembar graphene setipis atom pada sudut putar tertentu, yang kemudian memungkinkan sifat-sifat eksotis muncul. Meskipun MATTG telah menunjukkan petunjuk tidak langsung tentang superkonduktivitas unkonvensional dan perilaku elektronik aneh lainnya di masa lalu, penemuan baru yang dilaporkan dalam jurnal Science ini menawarkan konfirmasi paling langsung bahwa material tersebut memang menunjukkan superkonduktivitas unkonvensional.

Bukti Kuat dari Celah Superkonduktor

Kunci dari terobosan ini terletak pada pengukuran "celah superkonduktor" MATTG. Celah superkonduktor adalah sebuah properti yang menggambarkan seberapa tangguh keadaan superkonduktor suatu material pada suhu tertentu. Tim peneliti menemukan bahwa celah superkonduktor MATTG terlihat sangat berbeda dari celah superkonduktor pada umumnya. Ini berarti mekanisme di mana material tersebut menjadi superkonduktif juga pasti berbeda, dan bersifat unkonvensional.

"Ada banyak mekanisme berbeda yang dapat menyebabkan superkonduktivitas pada material," jelas Shuwen Sun, salah satu penulis utama studi dan mahasiswa pascasarjana di Departemen Fisika MIT. "Celah superkonduktor memberi kita petunjuk tentang mekanisme seperti apa yang dapat menghasilkan superkonduktor suhu ruang yang pada akhirnya akan bermanfaat bagi masyarakat manusia."

Dalam superkonduktor konvensional, elektron-elektron berpasangan melalui getaran kisi atom di sekitarnya. Namun, Park menduga bahwa mekanisme yang berbeda mungkin bekerja pada MATTG. "Dalam sistem graphene sudut ajaib ini, ada teori yang menjelaskan bahwa pasangan elektron kemungkinan besar muncul dari interaksi elektronik yang kuat daripada getaran kisi," ujarnya. "Itu berarti elektron-elektron itu sendiri saling membantu untuk berpasangan, membentuk keadaan superkonduktor dengan simetri khusus."

Para peneliti mencapai penemuan mereka menggunakan platform eksperimental baru yang memungkinkan mereka secara efektif "mengamati" celah superkonduktor saat superkonduktivitas muncul pada material dua dimensi, secara real-time. Platform ini menggabungkan spektroskopi tunneling elektron dengan transport listrik, suatu teknik yang digunakan untuk mengukur superkonduktivitas material dengan mengirimkan arus dan terus-menerus mengukur resistansi listriknya (resistansi nol menandakan material dalam keadaan superkonduktor).

Dengan menggabungkan pengukuran tunneling dan transport dalam perangkat yang sama, mereka dapat mengidentifikasi celah tunneling superkonduktor secara jelas, yang hanya muncul ketika material menunjukkan resistansi listrik nol, yaitu ciri khas superkonduktivitas. Mereka kemudian melacak bagaimana celah ini berkembang di bawah variasi suhu dan medan magnet. Yang luar biasa, celah tersebut menunjukkan profil berbentuk 'V' yang berbeda, sangat kontras dengan bentuk datar dan seragam superkonduktor konvensional. Bentuk 'V' ini mencerminkan mekanisme unkonvensional tertentu di mana elektron-elektron dalam MATTG berpasangan untuk menjadi superkonduktor.

Potensi Revolusioner untuk Indonesia dan Dunia

Penemuan ini membawa harapan besar bagi masa depan teknologi. Superkonduktor suhu ruang akan memiliki dampak transformatif yang luas, tidak hanya di Indonesia tetapi juga secara global. Bayangkan kabel listrik yang dapat mengalirkan energi dari pembangkit listrik di Kalimantan ke Jawa tanpa kehilangan daya sedikit pun, atau jaringan listrik pintar yang sangat efisien dan tidak memerlukan infrastruktur pendingin yang rumit. Ini akan menjadi revolusi energi yang luar biasa.

Selain itu, komputasi kuantum, bidang yang sangat menjanjikan dengan potensi memecahkan masalah kompleks yang tidak dapat ditangani komputer klasik, juga akan sangat diuntungkan. Superkonduktor sangat penting untuk membangun komputer kuantum yang stabil. Jika superkonduktor suhu ruang dapat direalisasikan, hambatan teknis dan biaya untuk mengembangkan komputasi kuantum akan jauh berkurang, mempercepat kemajuan di bidang ini dan membuka peluang inovasi baru di berbagai sektor, dari farmasi hingga kecerdasan buatan.

Tantangan dan Harapan Masa Depan

Meskipun mekanisme pasti di balik superkonduktivitas unkonvensional MATTG masih menjadi misteri, fakta bahwa bentuk celah superkonduktornya sangat berbeda dari superkonduktor biasa memberikan bukti kunci bahwa material ini adalah superkonduktor unkonvensional yang unik. Para peneliti berencana untuk menerapkan platform baru ini untuk menyelidiki lebih lanjut MATTG, dan untuk memetakan celah superkonduktor pada material 2D lainnya. Upaya ini dapat mengungkap kandidat-kandidat menjanjikan untuk teknologi masa depan.

"Memahami satu superkonduktor unkonvensional dengan sangat baik dapat memicu pemahaman kita tentang yang lainnya," kata Pablo Jarillo-Herrero, profesor Fisika Cecil dan Ida Green di MIT dan penulis senior studi tersebut. "Pemahaman ini dapat memandu desain superkonduktor yang berfungsi pada suhu ruang, misalnya, yang merupakan semacam Cawan Suci dari seluruh bidang ini."

Penelitian ini adalah langkah maju yang signifikan dalam pencarian superkonduktor suhu ruang. Dengan terus mengeksplorasi material-material eksotis seperti graphene sudut ajaib dan mengembangkan teknik eksperimental yang inovatif, para ilmuwan semakin mendekati realisasi teknologi yang suatu hari nanti akan mengubah cara kita memanfaatkan energi dan memproses informasi. Ini adalah era yang menjanjikan bagi fisika dan teknologi, dengan potensi untuk menciptakan masa depan yang lebih efisien dan berkelanjutan bagi semua.