Grafena Berlapis Lima Menampung Beberapa Fase Superkonduktivitas
Grafit biasa, bahan karbon yang dikenal luas sebagai isi pensil, kembali menunjukkan bahwa kesederhanaan kimia tidak selalu berarti perilaku fisika yang sederhana. Dalam studi yang diterbitkan di jurnal Nature, tim peneliti MIT melaporkan bahwa struktur mikroskopis tertentu di dalam grafit alami dapat menjadi rumah bagi beberapa keadaan superkonduktivitas sekaligus. Temuan ini penting karena superkonduktivitas biasanya dipahami sebagai satu fase elektronik khas: elektron berpasangan, bergerak serempak, lalu mengalir tanpa hambatan listrik. Namun, pada grafena rombohedral, khususnya tumpukan empat dan lima lapisan atom karbon, para peneliti menemukan keluarga fase superkonduktor yang jauh lebih kaya. Bahkan, beberapa fase tersebut tidak melemah ketika diberi medan magnet, melainkan bertahan dan pada kondisi tertentu justru menguat.
Superkonduktivitas secara konvensional sangat rentan terhadap medan magnet. Dalam banyak material, medan magnet memutus pasangan elektron yang disebut pasangan Cooper, sehingga aliran tanpa resistansi menghilang. Karena itu, hasil eksperimen MIT menjadi mengejutkan: tiga keadaan superkonduktor dalam grafena rombohedral mampu bertahan pada medan magnet sejajar hingga sekitar 9 tesla, sekitar 180.000 kali lebih kuat daripada medan magnet Bumi. Dalam orientasi medan magnet tegak lurus, efek yang lebih tidak lazim muncul. Pada kerapatan elektron tertentu, suhu transisi superkonduktor meningkat dari sekitar 55 milikelvin menjadi mendekati 90 milikelvin, sementara arus maksimum yang dapat ditanggung material sebelum superkonduktivitas runtuh juga naik sekitar 50 hingga 60 persen. Dengan kata lain, kondisi yang lazimnya merusak superkonduktivitas justru memperkuatnya.
Grafena Rombohedral: Tangga Atom dari Karbon
Grafena adalah lembaran karbon setebal satu atom, tersusun dalam kisi dua dimensi yang sangat teratur. Jika beberapa lembar grafena ditumpuk, sifat elektroniknya dapat berubah secara dramatis. Banyak penelitian sebelumnya berfokus pada grafena yang diputar pada sudut tertentu, termasuk struktur “sudut ajaib” yang memunculkan fenomena eksotis. Kelompok Long Ju di MIT memilih jalur berbeda: bukan menyusun dan memutar lapisan secara artifisial, melainkan mencari konfigurasi alami di dalam grafit. Salah satu konfigurasi tersebut adalah grafena rombohedral, yaitu susunan lapisan grafena yang saling bergeser sedikit demi sedikit, menyerupai anak tangga. Struktur ini dapat ditemukan secara alami dalam grafit, tetapi harus diisolasi melalui pengelupasan material tipis, sering kali menggunakan metode sederhana seperti pita perekat, kemudian diidentifikasi melalui pola tumpukan khasnya.
Dalam beberapa tahun terakhir, grafena rombohedral telah menjadi platform penting untuk mempelajari fisika kuantum material dua dimensi. Kelompok MIT sebelumnya menemukan tanda-tanda superkonduktivitas kiral, muatan elektron fraksional, dan perilaku elektronik lain yang sulit dijelaskan dengan model sederhana. Pada studi terbaru ini, tim meneliti grafena rombohedral empat dan lima lapis dengan pendekatan yang sedikit berbeda. Jika eksperimen terdahulu menambahkan elektron ke dalam sampel melalui penyetelan listrik, eksperimen baru justru mengurangi elektron secara bertahap. Dengan menurunkan kerapatan elektron dan mengukur resistansi listrik pada suhu ultradingin, para peneliti dapat memetakan kapan material memasuki fase superkonduktor.
Empat Keadaan Superkonduktor, Tiga Tahan Medan Magnet
Eksperimen dilakukan dengan pengendalian kerapatan elektron, arus eksternal, suhu sangat rendah, serta medan magnet dalam dua orientasi: sejajar dan tegak lurus terhadap bidang grafena. Sebagian pengukuran medan magnet tinggi dilakukan melalui kolaborasi dengan kelompok Dominik Zumbuhl di University of Basel, Swiss. Hasilnya menunjukkan empat keadaan superkonduktor berbeda muncul pada kerapatan elektron tertentu. Dari empat keadaan itu, tiga tetap bertahan di bawah medan magnet tinggi ketika medan diarahkan sejajar dengan bidang material. Ini menantang batas pemahaman klasik, sebab medan magnet seharusnya memisahkan pasangan elektron dan mematikan aliran tanpa hambatan. Ketahanan tersebut mengisyaratkan bahwa pasangan elektron dalam grafena rombohedral mungkin tidak mengikuti skema konvensional.
Salah satu penjelasan awal yang diajukan adalah kemungkinan terbentuknya pasangan elektron dengan spin sejajar, bukan berlawanan seperti pada banyak superkonduktor konvensional. Dalam skenario biasa, dua elektron dalam pasangan Cooper memiliki spin berlawanan; medan magnet dapat menarik spin tersebut keluar dari konfigurasi stabilnya, sehingga pasangan pecah. Namun, bila elektron berpasangan dengan spin yang sudah sejajar, medan magnet dapat memengaruhi keduanya ke arah serupa, sehingga pasangan tidak mudah tercerai. Gagasan ini masih memerlukan pengujian teoritis dan eksperimental lanjutan, tetapi memberikan petunjuk mengapa medan magnet tidak menghancurkan fase superkonduktor tersebut. Fenomena ini juga memperluas kategori superkonduktor tak konvensional, yakni material yang mekanisme pasangan elektronnya tidak cukup dijelaskan oleh teori klasik.
Implikasi bagi Fisika Material Kuantum
Nilai utama temuan ini bukan hanya pada satu material baru, melainkan pada cara material sederhana dapat menghasilkan lanskap fase yang kompleks ketika dikontrol secara presisi. Long Ju menekankan bahwa karbon, unsur yang tampak biasa, dapat menunjukkan banyak sifat superkonduktor berbeda jika “kenop” eksperimen seperti tegangan listrik, kerapatan elektron, orientasi medan magnet, dan struktur lapisan dikendalikan dengan cermat. Penulis utama Junseok Seo juga menyoroti bahwa penelitian ini bukan sekadar menerima struktur yang tersedia di alam, melainkan menggunakan kontrol tambahan untuk mendorong material menuju keadaan yang mungkin tidak muncul secara spontan. Fabrikasi perangkat dilakukan sebagian di MIT.nano, sementara penelitian didukung antara lain oleh U.S. Office of Naval Research.
Studi berjudul “Family of magnetic field-boosted superconductors in rhombohedral graphene” ini memperlihatkan bahwa grafena rombohedral pentalapis dapat menjadi laboratorium mini untuk menguji prinsip dasar superkonduktivitas. Jika mekanisme penguatan oleh medan magnet dapat dipahami, dampaknya dapat menjangkau rancangan material kuantum baru, sensor medan magnet, perangkat elektronik ultrarendah daya, dan teknologi berbasis arus tanpa hambatan. Namun, aplikasi praktis masih jauh karena suhu operasinya berada pada skala milikelvin, sangat dekat dengan nol mutlak. Meski demikian, secara ilmiah, temuan ini mengguncang asumsi lama: medan magnet tidak selalu menjadi musuh superkonduktivitas. Dalam tumpukan grafena tertentu, medan magnet dapat menjadi alat untuk menstabilkan, bahkan memperkuat, fase kuantum yang sangat tidak lazim.