Wayar logam biasa menjadi panas apabila membawa arus kerana elektron yang membawa arus diserakkan oleh getaran kekisi kristal, bendasing dan kecacatan bahan, lalu tenaga elektrik dilesapkan sebagai haba. Menyejukkan logam biasanya mengurangkan sebahagian rintangan itu, tetapi dalam bahan tertentu berlaku sesuatu yang jauh lebih mendadak.
Di bawah suhu genting, bahan seperti itu memasuki keadaan superkonduktor yang sifat elektrik dan magnetnya berbeza daripada keadaan normal. Fenomena ini dinamakan kesuperkonduksian.
Rintangan tidak sekadar “membeku”
Dalam konduktor biasa, elektron pengaliran bergerak melalui kekisi kristal. Getaran kekisi, bendasing dan kecacatan menyumbang kepada proses yang mengubah momentum pembawa cas, lalu menghasilkan rintangan elektrik. Maka kelihatan munasabah bahawa jika bahan disejukkan, getaran atom berkurang dan rintangan akhirnya menjadi sifar. Namun gambaran itu tidak mencukupi, kerana logam biasa tidak semestinya menjadi superkonduktor hanya kerana suhunya sangat rendah.
Kesuperkonduksian ialah peralihan fasa kepada keadaan fizikal yang baharu. Bagi sesuatu bahan superkonduktor, peralihan itu berlaku apabila suhu, medan magnet dan arus berada dalam julat yang membenarkannya. Pada 1911, Heike Kamerlingh Onnes dan pasukannya mendapati rintangan elektrik merkuri jatuh kepada sifar apabila disejukkan di bawah kira-kira 4.2 K, dan pemerhatian itu menjadi penemuan pertama kesuperkonduksian.
Bagaimanakah elektron yang saling menolak boleh berpasangan?
Bagi superkonduktor konvensional, teori BCS yang dikemukakan oleh John Bardeen, Leon Cooper dan Robert Schrieffer pada 1957 menerangkan mekanisme mikroskopiknya. Elektron bercas negatif dan secara langsung saling menolak. Namun dalam kekisi kristal, elektron turut berinteraksi dengan ion bahan. Dalam teori BCS, interaksi elektron dengan getaran kekisi yang dikuantumkan, iaitu fonon, boleh menghasilkan tarikan berkesan antara elektron dalam keadaan tertentu, lalu elektron membentuk pasangan berkorelasi yang dikenali sebagai pasangan Cooper.
Pasangan itu tidak patut dibayangkan sebagai molekul kecil yang terdiri daripada dua elektron yang sentiasa bersebelahan. Dalam superkonduktor konvensional, pasangan Cooper boleh mempunyai saiz korelasi yang jauh lebih besar daripada jarak antara atom, dan banyak pasangan bertindih antara satu sama lain. Keadaan superkonduktor ialah keadaan kuantum kolektif bagi bilangan elektron yang sangat besar, bukan sekadar himpunan pasangan bebas yang bergerak satu demi satu.
Mengapa arus tidak mengalami rintangan biasa?
Dalam keadaan normal, elektron boleh bertukar tenaga dan momentum melalui pelbagai proses serakan. Dalam keadaan BCS, pasangan Cooper membentuk keadaan kuantum kolektif yang mempunyai jurang tenaga antara keadaan asas superkonduktor dengan pengujaan tertentu. Gangguan kecil tidak semestinya mempunyai tenaga yang cukup untuk menghasilkan pengujaan yang memecahkan keadaan berpasangan itu, maka proses serakan yang lazim menyebabkan rintangan dalam konduktor biasa tidak beroperasi dengan cara yang sama terhadap arus superkonduktor.
Namun ayat “elektron tidak berlanggar langsung” ialah pemudahan yang tidak tepat. Rintangan sifar muncul daripada keadaan kuantum kolektif bahan, bukan daripada ketiadaan sebarang interaksi.
Rintangan sifar bukan satu-satunya ciri penting
Jika bahan superkonduktor hanya sebuah konduktor sempurna, kita mungkin menjangka medan magnet yang sudah berada di dalamnya sekadar kekal terperangkap apabila rintangan menjadi sifar. Eksperimen menunjukkan sifat yang lebih khusus. Apabila bahan memasuki keadaan superkonduktor dalam keadaan yang sesuai, ia menyingkirkan fluks magnet daripada bahagian dalam pukalnya, dan fenomena ini dikenali sebagai kesan Meissner.
CERN menyenaraikan rintangan sifar dan penyingkiran medan magnet lemah sebagai dua ciri asas keadaan superkonduktor. Kesan Meissner menunjukkan bahawa kesuperkonduksian ialah keadaan termodinamik yang tersendiri, bukan sekadar had ekstrem kekonduksian elektrik biasa.
Adakah semua medan magnet disingkirkan sepenuhnya?
Tidak. Tingkah laku magnet superkonduktor bergantung pada jenis bahan dan kekuatan medan. Dalam superkonduktor jenis I, keadaan Meissner wujud sehingga medan genting tertentu, dan medan yang cukup kuat boleh memusnahkan keadaan superkonduktor.
Dalam superkonduktor jenis II pula, terdapat julat medan yang membolehkan fluks magnet menembusi bahan secara setempat sebagai vorteks fluks, sementara sebahagian besar bahan masih berada dalam keadaan superkonduktor. CERN menerangkan bahawa keadaan campuran inilah yang membolehkan superkonduktor jenis II digunakan dalam medan magnet tinggi. Pergerakan vorteks boleh menghasilkan pelesapan tenaga, jadi dalam aplikasi, kecacatan bahan tertentu dimanfaatkan untuk menambat vorteks supaya tidak mudah bergerak. NIST menerangkan bahawa penambatan vorteks penting untuk mengekalkan keadaan rintangan sifar apabila vorteks wujud.
Bolehkah arus mengalir selama-lamanya?
Dalam gelung superkonduktor tertutup yang benar-benar berada dalam keadaan yang sesuai, arus berterusan boleh mengalir tanpa susutan ohmik biasa. Namun ini tidak bermaksud sistem sebenar bebas daripada semua kehilangan tenaga. Tenaga masih diperlukan untuk menyejukkan kebanyakan superkonduktor, dan sistem praktikal mempunyai sambungan, peralatan kuasa, sistem kriogenik serta kemungkinan kehilangan lain.
Jika suhu, medan magnet atau ketumpatan arus melepasi had bahan, kesuperkonduksian boleh hilang. Peralihan mendadak sebahagian magnet superkonduktor kepada keadaan normal dikenali sebagai quench dan boleh menghasilkan pemanasan yang besar kerana arus tinggi kini menghadapi rintangan. CERN merekodkan quench pada magnet prototaip LHC apabila gegelung kehilangan keadaan superkonduktornya akibat titik panas. Jadi “rintangan sifar” bukan sinonim bagi “tenaga percuma”.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Apakah yang membezakan keadaan superkonduktor daripada sekadar konduktor biasa yang mempunyai rintangan sangat kecil?