TINJAUAN PUSTAKA
2.11 Arus Kritis dan Sifat Irreversibel Magnetik Superkonduktor Tipe II Arus kritis dan sifat ireversibel magnetik pada superkonduktor tipe II
melibatkan beberapa mekanisme rumit. Berbeda dengan Tc, Hc1, dan Hc2 yang bersifat intrinsik dalam superkonduktor, Jc cenderung menjadi sifat ekstrinsik yang dikendalikan oleh cacat yang sangat terpengaruh oleh proses fabrikasi. Selanjutnya, terutama pada bahan HTS baru, Jc dipengaruhi oleh aktivasi termal yang menyebabkan fluks menyebar dan memperkuat hukum kurva I-V, sehingga Jc harus
ditafsirkan sebagai kuantitas yang ditentukan dengan kriteria medan yang berubah-ubah. Sifat magnetik ireversibel superkonduktor tipe II dikendalikan oleh kerapatan arus kritis dan dijelaskan pada pendekatan pertama oleh model yang disebut model keadaan kritis Bean (Bean, 1962, 1964). Bagian ini memperkenalkan fenomena kompleks yang lebih besar. Secara khusus, efek aktivasi termal dan penyerapan fluks telah merevolusi pemahaman tentang teori klasik superkonduktor dan memiliki dampak besar pada sifat yang relevan dengan aplikasi.
2.11.1 Arus Kritis dan Pinning Defect Superkonduktor Tipe II 2.11.1.1 Gradien Garis Fluks
Pengecualian untuk spesimen yang paling sempurna, kriteria Silsbee (Silsbee, 1916), sebagian besar tidak relevan saat menentukan kerapatan arus kritis Jc superkonduktor tipe II, karena Jc sangat ditentukan oleh cacat. Hal ini menguntungkan spesimen, karena Jc yang cacat bisa jauh lebih tinggi, dan dapat mengalir di seluruh bagian material, tidak hanya di permukaan seperti pada material tipe I. Semakin tinggi nilai Jc memungkinkan superkonduktor HTS praktis untuk aplikasi grid listrik. Cacat pada superkonduktor berperan dari hukum Ampere, yang dalam satuan notasi vektor dan mks adalah V × B = 𝜇0𝐽, dan dalam bentuk satu dimensi adalah dB/dx = 𝜇0𝐽. Dengan demikian, arus-arus bulk atau kerapatan arus J harus sesuai dengan gradien di B. Pada superkonduktor tipe I, arus tanpa hambatan hanya mengalir di permukaan material dalam kedalaman penetrasi 𝜆𝐿. Namun, pada superkonduktor tipe II dalam keadaan campuran, arus tanpa hambatan dapat mengalir di sepanjang jumlah besar jika dua kondisi terpenuhi: (1) fluks dan karenanya B dapat dimasukkan ke dalam volume inti superkonduktor sehingga diisi dengan garis fluks dan (2) adanya gradien pada kerapatan garis fluks.
Namun, karena keadaan ekuilibrium dari kisi fluks-garis dalam sempurna tidak terkoreksi superkonduktor memiliki kerapatan seragam (kisi Abrikosov), satu-satunya cara untuk mempertahankan gradien adalah melalui cacat yang menghubungkan garis fluks di sumber potensial, dengan cacat ukuran sebanding dengan panjang koherensi dan inti normal dari garis fluks yang paling efektif. Teori pinning dipahami dari berkurangnya energi bebas pada cacat.
2.11.1.2 Gaya Pinning Maksimum dan Rapat Arus Kritis
Karena kerapatan arus melalui superkonduktor tipe II meningkat, gradien fluks-garis tumbuh lebih tinggi sesuai dengan hukum Ampere, menciptakan kekuatan yang selalu kuat untuk mendorong fluks keluar dari sumber potensial cacat. Bila kekuatan itu melebihi gradien maksimal dalam energi potensial sumber (yaitu, kekuatan pinning maksimum), garis fluks didorong keluar dari sumber.
Titik dimana T = 0 menentukan kerapatan arus kritis Jc. Daya pinning maksimum dapat ditulis sebagai Fp = Jc × B, di mana B sebanding dengan kepadatan areal fluks lokal. Dengan demikian, besarnya kekuatan dapat terjadi ditentukan dari pengukuran Jc dengan adanya tingkat fluks rata-rata yang diberikan B. Suatu contoh data pada basa oksida tembaga basa HTS kedua (YBCO) dengan dua konsentrasi pengotor yang berbeda Zr, yang mempengaruhi konsentrasi cacat pada material melalui spontan pembentukan kolom cacat BaZrO3 selama pertumbuhan film.
2.11.2 Garis Irreversibel dan Vortex Liquid
Efek dari aktifasi termal superkonduktor tipe II seringkali dievaluasi dari yang dinamakan bilangan Ginzburg (𝑘𝑇𝑐/𝐻𝑐2𝜀𝜉)2/2, dimana merupakan rasio kuadrat dari energi termal menjadi energi kondensasi superkonduktor dalam volume pasangan Cooper (Blatter et al., 1994; Gurevich, 2011). Disini, 𝜀 merupakan kebalikan massa anisotropi elektron. Untuk superkonduktor suhu rendah, 𝐺~10−7; untuk material HTS, dengan 𝜉 dan 𝜀, 𝐺~10−2. Peningkatan G yang sangat besar ini daprediksi dalam banyak fenomena yang tidak pernah dilihat pada superkonduktor suhu rendah.
Bisa jadi efek penting yang timbul dari aktifasi termal berada di atas bebrapa temperatur flux creep yang meningkat ke level ekstrim, ketidakteraturan garis kisi-kisi atau titik lebur vortex glass, menyebabkan peralihan menjadi keadaan hampir cair seringkali disebut vortex liquid. Dalam keadaan liquid, irreversibelity magnetik merupakan kemungkinan yang tidak besar dan rapat arus kritis menghilang.
(Larbalestier et al., 2014).
2.11.3 Permukaan Kritis Superkonduktor Tipe II
Sifat superkonduktor diringkas dengan konsep tunggal permukaan kritis superkonduktor (Gambar 28). Dapat dilihat pada gambar tiga sumbu yang mewakili suhu (sumbu y), medan magnet terapan (sumbu x), dan kerapatan arus (sumbu z).
Menurut teori konvensional untuk superkonduktor suhu rendah, untuk nilai T, H, atau J di bawah permukaan kritis Hc2(T) dan Jc0 (T), material tetap merupakan superkonduktor. Di atas permukaan kritis, transisi material dari keadaan superkonduktor kembali ke keadaan nonsupkonduktor resistif normalnya.
Namun, aktivasi termal dan gangguan pinning center menyebabkan modifikasi drastis di permukaan kritis untuk bahan HTS. Hal tersebut menimbulkan ireversibilitas garis di bidang H-T yang terletak jauh di bawah Hc2 (T), seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2.8 berikut.
Gambar 2.8 Permukaan Kritis Superkonduktor pada Suhu T, Medan Magnet H yang Diterapkan, dan Kerapatan Arus J, di Bawah Arus Masuk yang Bisa bertahan. Pada superkonduktor suhu rendah, Permukaan Kritis Sangat Dekat
dengan Medan Kritis Hc2 dan Arus Kritis Fluks-Creep-Free Kepadatan Jc0.
Supercurrent signifikan hanya berada di bawah garis ireversibilitas, tetapi di sini tegangan kecil dapat bertahan karena fluks creep. Di atas garis daerah vortex liquid, superkonduktivitas berada dalam arus-arus vortex lossless sekitar garis fluks dan celah energi tetap ada di sebagian besar sampel. Namun, Efek Meissner dan
resistivitas mendekati nol terhadap arus makroskopis aliran yang hilang pada bidang kritis atas Hc2(T) tidak lagi dianggap fase transisi "kritis"; ini disebut crossover. Garis irreversibilitas sebenarnya merupakan transisi fase kaca antara fasa di bawah vortexglass dan di atas pusat liquid. Di daerah vortexglass, arus kritis sangat dipengaruhi oleh fluks-fluks.
Dari Gambar 2.8 dapat dilihat bahwa pada HTS, aktivasi termal dan fluks creep menyebabkan penurunan permukaan kritis ditunjukkan oleh panah biru, dengan permukaan yang didefinisikan oleh garis Irreversibilitas Hirrev (T) dan kerapatan arus kritis fluks creep (T). Namun, sebuah celah superkonduktor pada kepadatan daerah elektronik dan arus pusaran di sekitar garis vorteks terkuak dapat bertahan di seluruh wilayah di bawah Hc2. Antara Hc2 dan Hirrev, garis fluks berada dalam keadaan hampir liquid yang disebut liquid A Vortex; di Bawah Hirrev dengan adanya gangguan pada lokasi pinning center, garis fluks dalam keadaan tidak teratur yang disebut vortexglass.
Jadi, untuk perangkat yang beroperasi pada kotak utilitas listrik, perangkat harus dirancang dengan margin keamanan yang cukup untuk jalur muatan tertentu, perangkat superkonduktor tetap jauh di bawah garis ireversibilitas untuk mempertahankan karakteristik superkonduktor sifat resistansi mendekati nol dan penyaringan diamagnetik. Hanya ada beberapa HTS yang beroperasi dengan pengecualian pada aturan umum ini, dimana perubahan tajam pada hambatan listrik dialami oleh superkonduktor saat peralihan dari cairan vortex ke keadaan vortex-liquid sengaja digunakan untuk "membatasi" arus dalam sistem tegangan tetap (Rey, C., 2010).