Transformasi Kuantum: Nanoribbon TiS3 Menjadi Superkonduktor Di Bawah Tekanan

Sebuah penelitian menunjukkan bahwa kompresi pita nano TiS3 mengubahnya dari isolator menjadi superkonduktor, memungkinkan transmisi listrik tanpa kehilangan energi. Penemuan ini membuka kemungkinan baru untuk memajukan teknologi hemat energi dan ilmu materials.

Menurut sebuah penelitian di jurnal Surat Nanomengompresi pita nano yang terbuat dari titanium dan belerang dapat mengubah sifat-sifatnya secara signifikan, mengubahnya menjadi bahan yang mampu menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi.

Para penulis telah membuat penemuan ini selama pencarian cermat mereka terhadap materials baru yang dapat mentransmisikan listrik tanpa kehilangan energi, topik hangat yang telah lama menghantui komunitas ilmiah.

“Penelitian kami berfokus pada satu bahan yang menjanjikan: TiS₃ nanoribbons, yang merupakan struktur kecil seperti pita yang terbuat dari titanium dan belerang. Dalam keadaan alaminya, TiS₃ pita nano bertindak sebagai isolator, yang berarti mereka tidak menghantarkan listrik dengan baik,” kata Mahmoud Rabie Abdel-Hafez, seorang profesor di Departemen Fisika Terapan dan Astronomi Universitas Sharjah.

“Namun, kami menemukan bahwa dengan memberikan tekanan pada nanoribbon ini, kami dapat mengubah sifat listriknya secara dramatis,” tambah Abdel-Hafez, penulis utama studi tersebut.

Temuan Eksperimental

Para ilmuwan mengungkap TiS₃ tekanan bertahap. Saat mereka meningkatkan tekanan, mereka menemukan bahwa TiS₃ Sistem mengalami serangkaian transisi, dari isolator menjadi logam dan superkonduktor, untuk pertama kalinya.

TiS₃ Bahan-bahan tersebut diketahui berfungsi sebagai isolator yang baik, tetapi ini adalah pertama kalinya ilmuwan menemukan bahwa di bawah tekanan, bahan-bahan tersebut dapat berfungsi sebagai superkonduktor, yang membuka jalan bagi pengembangan bahan superkonduktor.

(A) Diagram fase suhu-tekanan TiS3. (B) Foto dan gambar SEM struktur mikro kuasi-1D. Kredit: Surat Nano (2024). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00824

“Superkonduktor istimewa karena dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi, yang sangat berharga untuk aplikasi teknologi,” kata Abdel-Hafez. “[But] bayangkan sebuah dunia di mana tenaga listrik dapat disalurkan tanpa ada energi yang terbuang sebagai panas. Hal ini akan merevolusi cara kita menggunakan dan mendistribusikan listrik, menjadikan segalanya mulai dari jaringan listrik hingga perangkat elektronik jauh lebih efisien.”

Potensi inilah yang penulis sebut sebagai sebuah terobosan: potensi TiS₃ untuk berubah menjadi bahan yang tidak menyebabkan limbah saat mentransmisikan listrik. Dengan mengontrol secara hati-hati tekanan yang diterapkan pada bahan-bahan ini, penulis mengidentifikasi titik-titik yang tepat di mana bahan-bahan tersebut berubah dari satu keadaan ke keadaan lainnya.

“Hal ini penting karena memahami transisi ini membantu kita mempelajari cara memanipulasi materials lain dengan cara yang sama, sehingga membawa kita lebih dekat untuk menemukan atau merancang superkonduktor baru yang dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dan kondisi yang lebih praktis,” kata Abdel-Hafez.

Penelitian menunjukkan bahwa TiS₃ berpotensi menjadi materials semacam itu jika berada dalam kondisi yang tepat. Dengan meningkatkan tekanan secara bertahap pada materials yang diteliti, penulis mengamati bahwa materials tersebut berubah dari isolator (konduktor yang buruk) menjadi logam (konduktor yang baik) dan akhirnya menjadi superkonduktor (konduktor sempurna tanpa kehilangan energi).

Menemukan bahwa TiS₃ Bahan-bahan yang dapat menjadi superkonduktor di bawah tekanan pasti akan membantu para ilmuwan untuk lebih memahami kondisi yang diperlukan untuk superkonduktivitas. Pengetahuan ini sangat penting untuk mengembangkan bahan-bahan baru yang mungkin menjadi superkonduktor pada suhu yang lebih tinggi dan lebih praktis, kata para penulis.

Upaya Kolaboratif dan Prospek Masa Depan

“Penelitian ini tidak hanya meningkatkan pemahaman kita tentang superkonduktivitas tetapi juga menunjukkan kekuatan kolaborasi internasional dalam mencapai hasil ilmiah yang inovatif,” tegas Profesor Fisika dan Astronomi Universitas Uppsala Swedia, yang juga salah satu penulisnya.

Proyek ini merupakan bagian dari upaya penelitian Universitas Sharjah untuk mengembangkan materials yang dapat menyalurkan listrik tanpa kehilangan energi, menawarkan wawasan baru tentang bagaimana tekanan dapat mengubah sifat listrik TiS.₃ pita nano.

Fase TiS3 yang diinduksi tekanan. (A) Kisi kristal monoklinik TiS3 (grup ruang P21/m (tipe-I)) pada tekanan rendah. Kotak abu-abu menguraikan sel satuan periodik. Obligasi 1 (magenta) memiliki panjang rata-rata 2,67 Å, ​​sedangkan obligasi 2, 3, dan 4 (biru tua) rata-rata memiliki panjang 2,49 Å. Untuk menunjukkan dengan jelas rantai 1D yang tertanam, kami menggunakan atom S merah marun dan kuning untuk membedakan dua rantai berbeda (tetapi setara) dalam sel satuan periodik. Pasangan S–S (berlabel oranye) menghubungkan atom S yang terikat pada Ti yang sama. (B) Kiri: Foto struktur mikro Q1D TiS3 (terlihat sebagai garis gelap) di atas kertas putih. Kanan: Gambar SEM kumis TiS3 pada tekanan rendah. (C) Kisi kristal monoklinik TiS3, P21/m (tipe-II), pada tekanan menengah. Kotak abu-abu menguraikan sel satuan periodik. Ikatan S–S (diberi label warna ungu) menghubungkan atom S yang terikat pada Ti yang berbeda. (D) Kisi kristal kubik fase tekanan tinggi (grup ruang Pm3m) dalam representasi bola-dan-tongkat. (E) Kisi kristal kubik dalam representasi polihedral. Kredit: Surat Nano (2024). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00824

Penelitian ini merupakan usaha bersama yang melibatkan para ilmuwan dari Swedia, Tiongkok, dan Rusia. “Kemajuan ini tidak hanya mendorong batasan ilmu materials tetapi juga menjanjikan aplikasi inovatif di berbagai bidang, termasuk transmisi energi dan perangkat elektronik,” kata Abdel-Hafez.

Mengenai metode yang diadopsi untuk melakukan penelitian ini, penulis menulis bahwa mereka melakukan “pendekatan eksperimental dan teoritis untuk mengeksplorasi secara komprehensif perilaku tekanan tinggi dari sifat elektronik TiS.₃semikonduktor kuasi-satu-dimensi (Q1D), pada berbagai rentang suhu.

“Melalui resistansi listrik tekanan tinggi dan pengukuran magnetik pada tekanan tinggi, kami mengungkap urutan transisi fase yang khas dalam TiS₃yang mencakup transformasi dari keadaan isolasi pada tekanan sekitar menjadi munculnya keadaan superkonduktor awal di atas 70 GPa.”

Menurut Abdel-Hafez, penelitian ini membuka jalan untuk menemukan superkonduktor baru yang diburunya dengan “pencarian cawan suci dalam ilmu materials karena bahan-bahan ini dapat menghantarkan listrik tanpa kehilangan energi. Hal ini penting karena dapat menghasilkan transmisi listrik yang sangat efisien dan berbagai kemajuan teknologi.”

Namun, penulis mencatat diperlukan lebih banyak penelitian untuk memahami cara kerja superkonduktor ini dan teori di baliknya, topik yang masih hangat diperdebatkan dalam literatur. “Dalam makalah penelitian kami tentang TiS₃ bahan, kami menemukan bahwa kami dapat mengubah sifat listriknya secara dramatis.

“Materials-material ini berpotensi mengubah transmisi daya dengan memungkinkan listrik disalurkan tanpa kehilangan energi. Selain itu, material-material ini dapat memajukan teknologi dalam pencitraan medis, perangkat elektronik, dan sistem transportasi seperti kereta maglev,” kata Abdel-Hafez.

Para penulis optimis tentang implikasi dari temuan mereka. Mereka mencatat, “Temuan kami memberikan bukti kuat bahwa superkonduktivitas pada suhu rendah ∼2,9 Ok merupakan karakteristik mendasar dari TiS₃mengungkap pandangan baru mengenai sifat elektronik tekanan tinggi TiS3 yang menarik.”

Referensi: “Dari Insulator ke Superkonduktor: Serangkaian Transisi Berbasis Tekanan pada Nanoribbon TiS3 Kuasi-Satu Dimensi” oleh Mahmoud Abdel-Hafiez, Li Fen Shi, Jinguang Cheng, Irina G. Gorlova, Sergey G. Zybtsev, Vadim Ya. Pokrovskii, Lingyi Ao, Junwei Huang, Hongtao Yuan, Alexsandr N. Titov, Olle Eriksson dan Chin Shen Ong, 29 April 2024, Surat Nano.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00824