Tunable phase transitions in half-Heusler TbPtBi compound

सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया में, क्रिस्टल का एक विशेष वर्ग है जिसे हाफ-ह्यूस्लर (half-Heusler) यौगिक कहा जाता है। ये साधारण चट्टानें नहीं हैं; ये तीन अलग-अलग तत्वों की इंजीनियर की गई व्यवस्थाएं हैं जो अक्सर बिजली प्रवाहित होने पर आश्चर्यजनक व्यवहार करती हैं। इनमें से कुछ सामग्रियां साधारण धातु की तरह व्यवहार करती हैं, जबकि अन्य टोपोलॉजिकल सेमीमेटल (topological semimetals) बन सकती हैं, जो एक दुर्लभ अवस्था है जहाँ इलेक्ट्रॉन अद्वितीय क्वांटम गुणों से युक्त होते हैं जो स्पिंट्रोनिक्स (spintronics) और अत्यधिक कुशल ऊर्जा कन्वर्टर्स जैसी भविष्य की तकनीकों के लिए मूल्यवान होते हैं। इन इलेक्ट्रॉन्स के व्यवहार को निर्धारित करने वाला एक प्रमुख कारक 'स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग' (spin-orbit coupling) नामक बल है। इसे इलेक्ट्रॉन के स्पिन और परमाणु के नाभिक के चारों ओर उसकी गति के बीच एक सूक्ष्म अंतःक्रिया के रूप में समझें; भारी तत्वों में, यह अंतःक्रिया इतनी मजबूत होती है कि यह इलेक्ट्रॉन्स के ऊर्जा स्तरों को पुनर्गठित कर देती है, जिससे कभी-कभी सामग्री का पूरा चरित्र एक साधारण चालक से एक जटिल क्वांटम अवस्था में बदल जाता है। वैज्ञानिक इन अवस्थाओं को नियंत्रित करने के तरीके को समझने के लिए उत्सुक हैं, क्योंकि यदि वे किसी सामग्री के व्यवहार को चालू या बंद कर सकें या इसे सटीकता के साथ ट्यून कर सकें, तो वे ऐसे सेंसर और उपकरण बना सकते हैं जो वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ की तुलना में कहीं अधिक संवेदनशील होंगे।

भारत के भौतिक अनुसंधान प्रयोगशाला (Physical Research Laboratory) के शोधकर्ताओं ने टेरबियम, प्लैटिनम और बिस्मथ से बने एक विशिष्ट हाफ-ह्यूस्लर यौगिक की ओर ध्यान केंद्रित किया, जिसे TbPtBi के रूप में जाना जाता है। जबकि प्रयोगों ने पहले ही यह दिखा दिया था कि यह सामग्री मौजूद है और इसमें कुछ चुंबकीय गुण हैं, अभी तक किसी ने भी यह मानचित्रित नहीं किया था कि विभिन्न स्थितियों के तहत, विशेष रूप से दबाने या खींचने पर, इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना कैसे बदलती है। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, टीम ने यह पता लगाया कि जब वे स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग के प्रभावों को शामिल करते हैं और जब वे क्रिस्टल लैटिस पर मैकेनिकल स्ट्रेन (mechanical strain) लागू करते हैं, तो TbPt Bi में इलेक्ट्रॉन्स के साथ क्या होता है। उन्होंने पाया कि यह सामग्री अपने वातावरण के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है, जो दबाव बदलने के माध्यम से धातु, एक टोपोलॉजिकल सेमीमेटल, एक ट्रिवियल (trivial) सेमीमेटल और यहाँ तक कि एक सेमीकंडक्टर में बदलने में सक्षम है।

यह यात्रा सामग्री की प्राकृतिक, शिथिल अवस्था से शुरू होती है। स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग के प्रभाव के बिना, सिमुलेशन दिखाते हैं कि TbPtBi एक मानक धातु की तरह व्यवहार करता है, जिसमें इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से बहते हैं और उनके घूमने के लिए खाली स्थान का एक बड़ा पॉकेट होता है। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने अपने मॉडलों में स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग को चालू किया, तो कहानी नाटकीय रूप से बदल गई। इस मजबूत अंतःक्रिया ने इलेक्ट्रॉन्स के ऊर्जा स्तरों को आपस में बदल दिया, जिसे 'बैंड इन्वर्जन' (band inversion) नामक घटना कहा जाता है। इस अवस्था में, सामग्री एक टोपोलॉजिकल सेमीमेटल में बदल जाती है, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ इलेक्ट्रॉन साधारण धातुओं से मौलिक रूप से भिन्न तरीके से व्यवस्थित होते हैं और एक विलक्षण क्वांटम व्यवहार से जुड़े होते हैं। यह स्विच बिना तनाव वाले क्रिस्टल में स्वाभाविक रूप से होता है क्योंकि इसमें शामिल भारी परमाणु एक पर्याप्त आंतरिक बल उत्पन्न करते हैं जो इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य को पुनर्गठित कर देता है।

शोधकर्ताओं ने फिर यह पूछा कि यदि वे क्रिस्टल को शारीरिक रूप से दबाते हैं, यानी इसके आकार को छोटा करने के लिए संपीड़ित स्ट्रेन (compressive strain) लागू करते हैं, तो क्या होगा। स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग की अनुपस्थिति में, सामग्री पहले से ही एक धातु थी, लेकिन जैसे ही उन्होंने इसे लगभग चार से छह प्रतिशत तक दबाया, इसने बिजली का मुक्त प्रवाह करना बंद कर दिया और एक छोटा सा अंतराल (gap) बना लिया, जिससे यह एक सेमीकंडक्टर में बदल गया। यह संक्रमण महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि सामग्री को केवल इसके भौतिक आयामों को बदलकर चालक और गैर-चालक अवस्थाओं के बीच टॉगल किया जा सकता है। जब स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग को इसमें शामिल किया गया, तो व्यवहार और भी जटिल हो गया। सामग्री एक टोपोलॉजिकल सेमीमेटल के रूप में शुरू हुई, लेकिन जैसे-जैसे संपीड़ित स्ट्रेन बढ़कर लगभग चार प्रतिशत हुआ, इसने अपना टोपोलॉजिकल स्वरूप खो दिया और एक ट्रिवियल सेमीमेटल बन गई। यदि दबाना आठ प्रतिशत तक जारी रहा, तो सामग्री ने एक दूसरा बदलाव किया, एक बहुत बड़ा ऊर्जा अंतराल खोला और एक सेमीकंडक्टर बन गई। यह परिवर्तनों का क्रम बताता है कि संपीड़न का बल स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग के विरुद्ध कार्य करता है, प्रभावी रूप से बैंड इन्वर्जन को उलट देता है और एक अधिक साधारण इलेक्ट्रॉनिक व्यवस्था को बहाल करता है।

स्पेक्ट्रम के दूसरी ओर, टीम ने क्रिस्टल को खींचा, यानी इसे अलग करने के लिए तन्य स्ट्रेन (tensile strain) लागू किया। इस परिदृश्य में, सामग्री ने सेमीकंडक्टर या किसी अन्य टोपोलॉजिकल अवस्था में परिवर्तन नहीं किया। इसके बजाय, यह अपनी मूल अवस्था में ही रही, चाहे वह स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग के बिना धात्विक अवस्था हो या स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग के साथ टोपोलॉजिकल सेमीमेटल अवस्था हो। हालाँकि, खिंचाव का दृश्य प्रभाव पड़ा: इसने चालन (conduction) के लिए उपलब्ध 'होल्स' (holes) के पॉकेट्स को बड़ा कर दिया। स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग की उपस्थिति में, सामग्री को खींचने से फर्मी लेवल (Fermi level) पर होल पॉकेट्स का आकार बढ़ गया, जबकि इलेक्ट्रॉन पॉकेट्स कम हो गए, लेकिन चरण की मौलिक प्रकृति स्थिर रही। यह विरोधाभास इस बात पर प्रकाश डालता है कि जबकि सामग्री को दबाना उसकी पहचान बदलने के लिए मजबूर कर सकता है, खींचना मुख्य रूप से खेल के अंतर्निहित नियमों को बदले बिना इलेक्ट्रॉन पथों के आकार को परिवर्तित करता है।

निष्कर्ष बताते हैं कि TbPtBi एक अत्यधिक ट्यून करने योग्य प्रणाली है जहाँ इलेक्ट्रॉनिक चरण को सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। स्ट्रेन को समायोजित करके सामग्री को एक टोपोलॉजिकल सेमीमेटल से एक ट्रिवियल वन, या एक सेमीकंडक्टर में स्विच करने की क्षमता इंजीनियरिंग के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करती है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि यह संवेदनशीलता इस यौगिक को अत्यधिक संवेदनशील स्ट्रेन गेज (strain gauges) के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाती है, जो विद्युत प्रतिरोध में बदलाव को मापकर सूक्ष्म भौतिक परिवर्तनों का पता लगाने वाले उपकरण हैं। यह समझकर कि दबाव के तहत इलेक्ट्रॉन स्वयं को कैसे पुनर्व्यवस्थित करते हैं, वैज्ञानिक संभावित रूप से ऐसे क्वांटम उपकरण डिजाइन कर सकते हैं जो यांत्रिक तनाव के प्रति अनुमानित और उपयोगी तरीकों से प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे एक साधारण भौतिक दबाव को एक परिष्कृत इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल में बदला जा सकता है।