Saat-saat hening menunjukkan jalan menuju superkonduktor yang lebih baik – Majalah Time.com

Pengukuran presisi tinggi telah memberikan petunjuk penting tentang proses yang mengganggu efisiensi superkonduktor. Pekerjaan pembangunan masa depan pada penelitian ini dapat menawarkan perbaikan dalam berbagai perangkat superkonduktor, seperti komputer kuantum dan detektor partikel sensitif.

Superkonduktivitas bergantung pada keberadaan elektron yang terikat bersama dalam pasangan Cooper. Dua elektron menjadi berpasangan karena interaksi dengan kisi logam, menyinkronkan satu sama lain meskipun terpisah ratusan nanometer. Di bawah suhu kritis, pasangan Cooper ini bertindak sebagai cairan yang tidak menghilangkan energi, sehingga tidak memberikan hambatan terhadap arus listrik.

Tetapi pasangan Cooper terkadang putus, menghilang menjadi dua kuasipartikel – elektron tidak berpasangan – yang menghambat kinerja superkonduktor. Para ilmuwan masih tidak tahu mengapa pasangan Cooper putus, tetapi kehadiran kuasipartikel memperkenalkan kebisingan ke dalam teknologi berbasis superkonduktor.

‘Bahkan jika hanya ada satu kuasipartikel per miliar pasangan Cooper, itu akan membatasi kinerja bit kuantum dan mencegah komputer kuantum beroperasi dengan sempurna,’ kata Elsa Mannila, yang meneliti kuasipartikel di Universitas Aalto sebelum pindah ke Pusat Penelitian Teknis VTT Finlandia. ‘Jika ada lebih banyak partikel yang tidak berpasangan, masa pakai qubit juga lebih pendek,’ tambahnya.

Keheningan panjang

Memahami asal usul kuasipartikel ini – dengan kata lain, mengetahui mengapa pasangan Cooper putus – akan menjadi langkah menuju peningkatan kinerja superkonduktor dan banyak teknologi yang mengandalkannya. Untuk menjawab pertanyaan itu, para peneliti di Aalto secara tepat mengukur dinamika pemutusan pasangan Cooper dalam sebuah superkonduktor.

‘Orang biasanya mengukur jumlah rata-rata kuasipartikel, jadi mereka tidak tahu seperti apa urutannya dari waktu ke waktu. Kami ingin mengetahui dengan tepat kapan pasangan Cooper putus dan berapa banyak pasangan yang putus pada saat yang sama,’ jelas Profesor Jukka Pekola dari Universitas Aalto.

Bersama dengan peneliti dari Universitas Lund dan VTT, tim di Aalto membuat percobaan untuk mendeteksi sejumlah kecil kuasipartikel secara real-time. Peralatan terdiri dari superkonduktor aluminium skala mikron yang dipisahkan dari konduktor normal – tembaga metalik – oleh lapisan isolasi tipis. Ketika pasangan Cooper di superkonduktor putus, kuasipartikel akan menembus isolasi ke tembaga, di mana para peneliti mengamatinya dengan detektor muatan.

‘Tantangannya benar-benar dalam mendapatkan banyak hal untuk bekerja sama,’ kata Mannila. Analisis bergantung pada hanya memiliki sejumlah kecil kuasipartikel, yang berarti eksperimen di fasilitas OtaNano Aalto harus terlindung dari radiasi dan gangguan eksternal serta didinginkan hingga mendekati nol mutlak. Para peneliti juga perlu mendeteksi peristiwa tunneling secara real-time dengan resolusi mikrodetik, yang mereka capai dengan penguat superkonduktor ultra-low-noise yang dikembangkan oleh Quantum Technology Finland dan VTT.

Ledakan kebisingan

Para peneliti menemukan bahwa pasangan Cooper pecah dalam ledakan, dengan periode hening yang lama terganggu oleh gelombang kuasipartikel yang sangat singkat. ‘Gambaran yang muncul adalah sebagian besar keheningan dan kemudian kadang-kadang satu atau lebih pasangan Cooper pecah, dan itu mengarah pada ledakan terowongan,’ kata Mannila. ‘Jadi satu peristiwa pemutusan mungkin merusak lebih dari satu pasangan Cooper pada satu waktu.’

Periode hening beberapa kali lipat lebih lama dari ledakan. Superkonduktor sepenuhnya bebas dari kuasipartikel selama beberapa detik pada suatu waktu, yang jauh lebih lama daripada yang dibutuhkan untuk operasi qubit. ‘Seseorang selalu ingin menyingkirkan kuasipartikel,’ kata Pekola. ‘Studi kami menandai langkah penting menuju pembangunan perangkat superkonduktor yang berfungsi ideal.’

Jejak dalam waktu

‘Apa yang membuat pasangan Cooper putus? Itu sebenarnya pertanyaan kuncinya,’ kata Pekola. Energi untuk mematahkan pasangan Cooper harus datang dari suatu tempat, dan dinamika yang diamati para peneliti memberikan petunjuk penting.

Selama sekitar 100 hari, para peneliti menemukan bahwa ledakan kuasipartikel menjadi lebih jarang dalam percobaan mereka. ‘Pemutusan pasangan Cooper yang bergantung waktu belum pernah diamati sebelumnya, jadi itu menarik dan mengejutkan,’ kata Mannila.

Hasil yang lebih menarik muncul ketika mereka mengatur ulang peralatan dan mencoba lagi. ‘Ketika percobaan dimulai, semuanya dimulai dari awal,’ kata Pekola. ‘Laju kemunculan kuasipartikel bergantung pada berapa lama waktu telah berlalu sejak kita mendinginkan sistem ke suhu terendah.’

Dinamika ini mempersempit jangkauan penjelasan untuk pemutusan pasangan Cooper. Sumber eksternal apa pun, seperti sinar kosmik dan sumber radiasi lainnya, akan menjadi kurang umum dari waktu ke waktu dan disetel ulang setelah sekitar 100 hari agar sesuai dengan perubahan yang terlihat dalam percobaan.

‘Ini mengesampingkan banyak atau sebagian besar hal yang telah diusulkan,’ kata Mannila. “Kami telah menunjukkan bahwa sesuatu sedang terjadi yang memiliki penundaan yang lama, dan itu bukanlah sesuatu yang biasanya dicari orang. Sekarang idenya ada di luar sana, orang dapat melihat skala waktu ini dalam sistem yang berbeda untuk penjelasan.’

Bagi Pekola, fakta bahwa laju peristiwa kuasipartikel menurun seiring waktu tetapi tidak secara eksponensial merupakan petunjuk penting tentang sumber energi untuk memutuskan pasangan Cooper. ‘Kegelisahan di awal mungkin berasal dari ketidakmurnian dalam materi. Kotoran ini mendingin jauh lebih lambat daripada perangkat,’ katanya. Perbedaan kecil dalam sistem ini dapat menghasilkan pelepasan energi yang cukup untuk memutuskan pasangan Cooper, meskipun hal ini tetap menjadi spekulasi.

Pekola berencana untuk melanjutkan eksperimen menggunakan dua atau lebih detektor untuk menemukan sumber kuasipartikel tersebut. Dengan mencari korelasi antara ledakan kuasipartikel di beberapa perangkat, ia berharap untuk mendapatkan lebih banyak petunjuk tentang tepatnya di mana proses yang mendorong kerusakan pasangan Cooper terjadi.

Sumber: Universitas Aalto