6.11 Superkonduktivitas dan efek Josephson

Beranda ／ Bab 6: Ranah kuantum

I. Fenomena dan pertanyaan

Ketika beberapa logam atau keramik didinginkan cukup rendah, resistansi turun di bawah batas ukur dan arus dapat beredar bertahun-tahun tanpa melemah. Medan magnet yang diterapkan terdorong keluar dari bulk dan hanya menembus sebagai tabung fluks kuantum. Jika dua superkonduktor dipisah oleh penghalang isolator sangat tipis, arus stabil mengalir walau tanpa tegangan; di bawah pancaran frekuensi tinggi, tegangan menampilkan anak tangga diskret.

Tanda-tanda ini—resistansi nol, diamagnetisme sempurna (dengan penetrasi terkuantisasi), super-arus pada bias nol, dan tangga di radiofrekuensi—memantik tanya: mengapa “gesekan” hilang saat didinginkan? mengapa medan hanya masuk dalam kuanta tetap? bagaimana arus menyeberangi isolator, dan mengapa gelombang mikro membentuk plateau tegangan yang rapi?

II. Bacaan menurut EFT: pasangan elektron dengan fase terkunci, penutupan kolektif kanal rugi, dan estafet koheren melintasi celah

1. Pasangkan dulu, lalu jahit fasenya.
   Dalam Teori Filamen Energi (EFT), elektron berupa lilitan stabil; lapisan luarnya berinteraksi dengan samudra energi (Energy Sea) dan kisi. Saat suhu turun, kegoyangan kisi mereda dan, pada beberapa material, terbuka “koridor tegangan” yang lebih mulus sehingga dua elektron saling mengikuti berorientasi berlawanan dan membentuk pasangan elektron. Pemadanan ini menutup atau menurunkan banyak kanal disipasi. Pendinginan lanjut menyelaraskan fase luar banyak pasangan dan membentang jaringan fase bersama di seluruh sampel—ibarat “karpet fase” fluida.
2. Mengapa resistansi nol: rugi ditutup secara kolektif.
   Resistansi lazim lahir dari jalur kecil yang membocorkan energi—impuritas, fonon, kekasaran batas. Setelah karpet fase terbentang, kerutan lokal yang merusak koherensi sulit tumbuh; ambang rugi melonjak. Selama penggerak tidak merobek karpet, arus tak membuang energi: resistansi terukur nol.
3. Mengapa pengusiran dan kuantisasi fluks: fase menolak dipelintir.
   Agar tetap halus, karpet fase tidak boleh dipuntir sembarangan oleh medan. Muncul arus layar di permukaan yang menolak medan (Meissner). Pada sebagian bahan, medan boleh masuk sebagai tabung tipis; tiap tabung memaksa fase berputar bilangan bulat—fluks terkuantisasi. Secara gambar, tiap tabung ialah inti tegangan berongga yang dilingkari fase; tabung saling tolak dan membentuk kisi geometris.
4. Mengapa arus Josephson: estafet koheren di celah hampir kritis.
   Dua karpet fase yang dipisah isolator ultra-tipis menciptakan celah sempit dekat ambang. Melalui celah itu, fase di kedua sisi menestafetkan secara koheren: bukan elektron tunggal “mendorong” lewat, melainkan jembatan fase pendek yang terjahit di tengah.
   • Bila kedua sisi seirama, jembatan meneruskan fase mantap dan mengalir super-arus dc tanpa tegangan (Josephson dc).
   • Bila irama beda—karena tegangan dc atau penggerak RF—perbedaan fase melaju seragam atau terkunci pada penggerak; jembatan memompa super-arus berirama tetap, muncul respons ac dan tangga tegangan di bawah gelombang mikro.
5. Mengapa tidak selalu ideal: cacat dan sobekan membuka rugi.
   Arus besar, medan kuat, suhu naik, atau situs pining untuk vorteks terkuantisasi dapat menarik karpet, menimbulkan lubang, dan meloloskan energi: terlihat arus kritis, puncak rugi, dan kenonlinieran.

III. Skenario khas

• Dua keluarga superkonduktor.
  Sebagian besar menolak medan hampir total lalu gagal tiba-tiba di atas ambang; yang lain menerima fluks sebagai tabung, membentuk kisi vorteks pada medan tinggi, dan tetap menghantar. Ini mencerminkan toleransi berbeda karpet fase terhadap torsi magnetik.
• Cincin superkonduktor dan arus persisten.
  Pada loop tertutup, fase wajib berputar bilangan bulat; tanpa sobekan, arus bertahan. Saat fluks diatur ke nilai tak bulat, sistem melompat ke bilangan bulat terdekat, membentuk keadaan diskret stabil.
• Sambungan terowongan dan taut lemah.
  Pada celah ultra-tipis mengalir super-arus tanpa bias; di bawah mikro-gelombang, tegangan terkunci pada tangga tetap—tanda penguncian fase oleh pemacu eksternal.
• Loop paralel: interferometer.
  Dua “jembatan fase” membentuk cincin dan memungut beda fase dari fluks luar; super-arus berosilasi periodik terhadap fluks dan memungkinkan magnetometri sangat peka.

IV. Sidik observasi

• Loncatan ke resistansi nol pada suhu kritis.
• Diamagnetisme sempurna atau kisi geometris tabung fluks.
• Super-arus tanpa tegangan dan arus kritis terdefinisi.
• Tangga tegangan di bawah radiofrekuensi (penguncian fase).
• Periodisitas interferensi pada cincin.
• Pining dan slip vorteks: cacat mengurangi rugi dan menaikkan arus kritis; vorteks bergerak memunculkan puncak disipasi.

V. Kesesuaian dengan uraian konvensional

• Uraian konvensional memakai parameter orde makroskopik (amplitudo kompleks berfase) untuk kondensat pasangan. Resistansi nol berasal dari aliran fase tanpa rugi; diamagnetisme dari fase yang menolak puntiran; kuantisasi fluks dan vorteks dari syarat pilinan bulat.
• EFT menceritakan hal yang sama secara geometris-nyata: pasangan elektron = lilitan yang berpasangan; karpet fase = jaringan fase bersama setinggi sampel; resistansi nol = penutupan kolektif kanal rugi; kuantisasi fluks = cacat topologis berinti berongga; efek Josephson = jembatan fase pendek yang terjahit pada celah nyaris kritis. Fenomena dan relasi kuantitatifnya sejalan; EFT hanya memberi narasi material “filamen dan samudra”.

VI. Sebagai ringkasan

Superkonduktivitas bukan berarti elektron tiba-tiba “menjadi sempurna”. Yang terjadi: berpasangan, lalu mengunci fase, dan akhirnya menestafetkan melintasi celah:

• Dalam penggerak ringan, karpet menutup rugi → resistansi nol.
• Karpet menolak puntiran sewenang-wenang → medan diusir atau masuk hanya sebagai vorteks terkuantisasi.
• Di antara dua karpet, celah nyaris kritis mengizinkan jahitan jembatan fase → super-arus pada bias nol; dengan mikro-gelombang, tegangan terkunci pada tangga rapi.