Ilmu-Ilmu Fisik

Superkonduktivitas non-konvensional pada Sistem Twisted Bilayer Graphene

Sejak penemuan graphene pada tahun 2004, berbagai macam karakteristik dan properti dari graphene telah berhasil diteliti dan ditemukan seperti secara elektrik lebih konduktif dibanding tembaga yang banyak digunakan di kabel-kabel listrik, properti mekanikal dimana ratusan kali lebih kuat dibanding baja serta graphene juga begitu fleksibel dan tipis dengan ketebalan dalam skala satu atom. Namun, perilaku superkonduktifitas pada graphene sangat susah diciptakan yang membuat ilmuwan-ilmuwan di seluruh dunia bertanya apakah mungkin graphene bisa menjadi superkonduktif.

Berbagai macam studi teoritis dan simulasi dilakukan untuk menghasilkan superkonduktifitas pada graphene salah satunya dengan melakukan doping terhadap graphene dengan atom-atom alkali, Gambar 1. Doping adalah memberikan atau menambahkan material lain dalam konsentrasi yang sangat kecil (kurang dari 1 persen dari keseluruhan sistem) pada suatu sistem induk dimana dalam kasus ini adalah graphene. atom-atom dari logam alkali pada graphene mengakibatkan adanya interaksi (coupling) antara elektron dan phonon. Phonon adalah gelombang yang merambat pada kisi kristal suatu material yang dihasilkan akibat dari adanya vibrasi dari atom-atom penyusun kisi kristal material. Interaksi antara elektron dan phonon akan menginduksi superkondutivitas pada sistem ini (Profeta et al. Nature Physics. 2012).

Gambar 1

Gambar 1. Struktur kristal dari graphene dengan doping berupa atom-atom logam alkali. Atom-atom berwarna kuning adalah atom karbon penyusun graphene dan atom berwarna biru adalah atom logam alkali. Sumber: Profeta et al. Nature Physics. 2012

Superkonduktivitas yang didapatkan dengan menggunakan doping tidak bersifat intrinsik atau berasal dari graphene itu sendiri. Namun baru-baru ini, kelompok peneliti dari MIT menemukan superkonduktivitas non-konvensional pada sistem graphene yang terdiri atas 2 lapis graphene yang ditumpuk namun kedua lapisan tersebut memiliki sudut relatif antar keduanya dimana sudut ini harus 1.1° . Rotasi antar kedua lapis graphene ini menghasilkan kisi super (superlattice) berupa pola Moire (Moire pattern). Sistem ini diberi nama twisted bilayer graphene (TBG), lihat Gambar 2.

magic-angle_0.gif

Gambar 2. Dua lapisan graphene yang ditumpuk dan diantaranya kedua lapisan memiliki sudut tertentu. Sumber: http://news.mit.edu/2018/graphene-insulator-superconductor-0305

Mereka menemukan ketika sudut antar kedua lapis graphene sekitar 1.1°, sistem TBG ini menunjukkan properti elektronik yang baru akibat dari band elektronik yang menjadi datar (flat) disekitar energi Fermi, lihat Gambar 3. Flat band ini terjadi akibat dari kisi super yang mengakibatkan interaksi dari band elektronik dari tiap lapis graphene. Untuk meneliti properti elektronik dari sistem ini, mereka melakukan fabrikasi device berskala sub-mikrometer dari sistem ini dengan menaruh sistem TBG ini diantara lapisan hexagonal boron nitride and menghubungkan sistem ini dengan 4 kontak untuk melakukan pengukuran memberi beda tegangan bias serta mereka membuat sebuah kontak dibawah sistem ini untuk memberikan tegangan gate yang digunakan untuk melakukan doping elektron ke sistem TBG ini, lihat Gambar 5.

Gambar-3.png

Gambar 3. Flat band disekitar energi Fermi dari sistem TBG. Sumber: Cao et al. Nature. 2018.

Gambar 4

Gambar 4. Skematik dari struktur device dari sistem TBG. G1 dan G2 adalah graphene yang membentuk sistem TBG, lapisan berwarna merah muda adalah hexagonal boron nitride. Kontak metal ditunjukkan oleh struktur berwarna emas. Vbias adalah tegangan bias yang diberikan dan Vg adalah tegangan gate. Sumber: Cao et al. Nature. 2018.

Perlu diketahui bahwa band elektronik adalah rentang energi yang dapat ditempati oleh elektron. Flat band dari band elektronik sistem ini mengakibatkan terjadinya korelasi antara elektron-elektron pada sistem ini. Fenomena korelasi dari elektron ini mengakibatkan sistem berprilaku selayaknya insulator dimana seharusnya sistem bersifat konduktif. Anomali ini dikenal dengan fasa Mott insulator. Mengapa fenomena ini menarik? Kita perlu mengetahui bagaimana band elektronik pada sistem konduktor dan insulator. Pada konduktor seperti metal, secara umum elektronik band ini hanya terisi setengah oleh elektron sehingga setengah dari band yang tidak terisi bisa digunakan oleh elektron untuk bebas bergerak berkontribusi terhadap konduktifitas. Namun pada insulator, band ini terisi penuh sehingga tidak ada ruang untuk elektron bebas bergerak. Fasa Mott insulator adalah ketika band suatu sistem terisi setengah namun alih-alih berprilaku sebagai konduktor, sistem ini justru berprilaku sebagai insulator. Hal ini bisa terjadi akibat dari fenomena korelasi antar elektron sehingga band yang tadinya utuh terpisah oleh gap energi yang sebanding dengan energi dari  korelasi antar elektron menjadi dua sehingga elektron tidak memiliki ruang untuk bergerak akibat dari penuhnya band baru hasil dari terbelahnya band awal, lihat Gambar 5.

Gambar 5

Gambar 5. Efek dari korelasi antar elektron terhadap konduktivitas dari suatu sistem. Gambar kiri memperlihatkan band elektronik tanpa adanya korelasi atau interaksi antar elektron. Gambar kanan adalah terpecahnya band paling atas menjadi dua bagian akibat dari korelasi antar elektron. Sumber: Cao et al. Nature. 2018.

Ketika mereka memberi tegangan gate dengan besar yang sebanding dengan energi dari elektron di sistem tersebut, fasa Mott insulator ini menghilang dan fenomena superkonduktor dihasilkan, Gambar 6. Superkonduktor adalah sebuah fenomena dimana elektron mengalir tanpa kehilangan energinya atau dengan kata lain sistem tersebut tidak memiliki hambatan listrik. Pada sistem ini, superkonduktor terjadi pada temperatur dibawah 1.7 Kelvin.

Gambar 6.PNG

Gambar 6. Superkonduktivitas pada sistem TBG yang memiliki sudut rotasi sebesar 1.16° dan 1.05°. Terlihat hambatan listrik (resistance) memiliki nilai nol dibawah temperature kritis sebesar 0.5 dan 1.7 Kelvin. Sumber: Cao et al. Nature. 2018.

Mengapa hal ini bisa terjadi? Sebenarnya, pada superkonduktor yang berupa senyawa, Mott insulator adalah fasa awal yang dimiliki. Ketika senyawa superkonduktor yang awalnya bersifat Mott insulator di doping dengan atom-atom seperti oksigen, mereka berubah menjadi superkonduktor. Ide yang sama yaitu doping digunakan oleh tim peneliti TBG untuk merealisasikan superkonduktivitas pada sistem ini namun bukan dengan doping oksigen, melainkan doping elektron dengan memberi tegangan gate yang diatur sedemikian rupa sehingga mereka bisa mengontrol jumlah elektron yang menjadi doping. Mereka menemukan bahwa superkonduktivitas terjadi disekitar fasa Mott insulator dimana konduktansi naik tajam secara tiba-tiba dari nol ke suatu nilai, lihat Gambar 7.

Gambar 7

Gambar 7. Superkonduktor pada TBG terjadi disekitar fasa mott insulator (daerah berwarna kuning dan hijau). Terlihat konduktansi naik secara dramatis dari nol ke suatu nilai. Daerah kuning dan hijau ini memiliki doping elektron yang mengakibatkan band elektronik terisi setengah penuh yang mengakibatkan fenomena Mott insulator terjadi karena korelasi antar elektron yang terjadi pada TBG.

Lebih jauh lagi, mereka bisa melakukan perubahan (tuning) dari Mott insulator, ke superkonduktor lalu ke fasa intermediet hanya dengan mengubah-ubah tegangan gate pada sistem, Gambar 8. Kemampuan tuning ini  sangat menguntungkan karena platform TBG ini dapat digunakan untuk mempelajari lebih jauh fenomena yang berhubungan dengan superkonduktivitas non-konvensional.

Gambar 8

Gambar 8. Tuning superkonduktivitas pada TBG dengan mengubah-ubah tegangan gate yang secara tidak langsung mengubah doping konsentrasi elektron sebagai pembawa (carrier) dari elektronik transportasi. Sumber: Cao et al. Nature. 2018.

Dibanding dengan superkonduktor yang berupa senyawa dimana doping bersifat tetap sehingga untuk mempelajari fenomena dari berbagai fasa yang berhubungan dengan superkonduktor, dibutuhkan sangat banyak device dengan beragam konsentrasi doping. TBG sangat menguntungkan karena hanya dengan 1 device, beragam fasa dapat dipelajari hanya dengan mengubah-ubah tegangan gate. Selain itu, penemuan ini membuka jalan untuk mengaplikasikan graphene menjadi transistor yang bekerja dengan prinsip transisi antara superkonduktor dan insulator.

Sumber:

  1. Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras, Pablo Jarillo-Herrero. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 556. 2018
  2. Yuan Cao, Valla Fatemi, Ahmet Demir, Shiang Fang, Spencer L Tomarken, Jason Y Luo, Javier D Sanchez-Yamagishi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Efthimios Kaxiras, Ray C Ashoori, Pablo Jarillo-Herrero. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 556. 2018
  3. Gianni ProfetaMatteo Calandra, Francesco Mauri. Phonon-mediated superconductivity in graphene by lithium deposition. Nature Physics. 2012
  4. http://news.mit.edu/2018/graphene-insulator-superconductor-0305
Iklan

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout /  Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout /  Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout /  Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout /  Ubah )

Connecting to %s