Intertwined topological phases in TaAs2 nanowires with giant magnetoresistance and quantum coherent surface transport

इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ इलेक्ट्रॉन नामक सूक्ष्म कण यात्री हैं। आमतौर पर, ये यात्री ट्रैफिक जाम में फंस जाते हैं, इमारतों से टकराते हैं और गर्मी के रूप में ऊर्जा खो देते हैं। लेकिन "टोपोलॉजिकल मैटेरियल्स" (topological materials) नामक एक विशेष वर्ग के पदार्थों में, सड़कें अलग तरह से बनाई गई हैं। इन्हें एक जादुई राजमार्ग के रूप में सोचें जहाँ यातायात एक अदृश्य सुरक्षा कवच (force field) द्वारा सुरक्षित है। इन पदार्थों की सतह पर, इलेक्ट्रॉन बिना किसी घर्षण के तेजी से दौड़ सकते हैं, जैसे कि एक पूरी तरह से चिकने, घर्षण रहित बर्फ के मैदान पर स्केटर्स। यह एक बहुत बड़ी बात है क्योंकि इससे ऐसे सुपर-फास्ट कंप्यूटर बन सकते हैं जो गर्म नहीं होते और सूचना संग्रहीत करने के नए तरीके मिल सकते हैं।

हालाँकि, इसमें एक पेच है। ये जादुंगी राजमार्ग अक्सर पदार्थ के गहरे अंदर छिपे होते हैं, या हवा के कारण सतह गंदी और क्षतिग्रस्त हो जाती है, जिससे सुचारू सवारी खराब हो जाती है। वैज्ञानिक इन सामग्रियों से सूक्ष्म, एक-आयामी (one-dimensional) तार बनाने की कोशिश कर रहे हैं ताकि इलेक्ट्रॉनों को सतह पर रहने के लिए मजबूर किया जा सके, लेकिन इन तारों को बिना नुकसान पहुँचाए बनाना एक रेत के तूफान में कांच का महल बनाने जैसा रहा है। सबसे बड़ा सवाल यह था: क्या हम इन नाजुक, घर्षण-मुक्त तारों का निर्माण कर सकते हैं, उन्हें हवा से बचा सकते हैं, और वास्तव में उन्हें काम करते हुए देख सकते हैं?

यह शोध पत्र बताता है कि कैसे वैज्ञानिकों की एक टीम ने ठीक यही किया है: TaAs2 नामक सामग्री से सूक्ष्म, अत्यंत मजबूत तारों का एक सेट बनाया, और उन्हें सुरक्षित रखने के लिए एक सुरक्षात्मक बुलबुले में लपेटा। उन्होंने पाया कि ये तार केवल बिजली का संचालन ही नहीं करते; बल्कि वे एक आकार बदलने वाले सुपरहीरो की तरह व्यवहार करते हैं। जब आप एक चुंबकीय क्षेत्र (magnetic field) चालू करते हैं, तो तार एक धातु (जहाँ बिजली आसानी से बहती है) से एक इंसुलेटर (जहाँ बिजली रुक जाती है) में बदल सकता है, और फिर से वापस आ सकता है। यह सब उम्मीद से कहीं अधिक उच्च तापमान पर होता है। उन्होंने यह भी पाया कि इन तारों की सतह पर इलेक्ट्रॉन एक बहुत ही विशिष्ट, क्वांटम लय में नाच रहे हैं, जो यह साबित करता है कि "जादुई राजमार्ग" वास्तविक है और काम कर रहा है।

जादुई बुलबुला और आकार बदलने वाला तार

वैज्ञानिकों ने इन सूक्ष्म तारों को एक विशेष विधि का उपयोग करके उगाना शुरू किया जिसमें एक गर्म ओवन में रसायनों को मिलाया जाता है। जैसे-जैसे तार विकसित हुए, उन्हें तुरंत कांच (सिलिकॉन डाइऑक्साइड) की एक पतली, अदृश्य परत में लपेट दिया गया। इस परत को एक "सुरक्षा कवच" या सुरक्षात्मक बुलबुले के रूप में सोचें। यह हवा को दूर रखता है ताकि तार में जंग न लगे या वह क्षतिग्रस्त न हो, लेकिन यह इतना पतला भी है कि वैज्ञानिक परीक्षण के लिए तार जोड़ने के लिए इसमें एक छोटा सा छेद कर सकें। यह एक बड़ी सफलता है क्योंकि आमतौर पर इन तारों को बनाने से वे हवा के संपर्क में आ जाते हैं, जिससे उनकी विशेष शक्तियाँ नष्ट हो जाती हैं।

एक बार जब उनके पास संरक्षित तार आ गए, तो उन्होंने उनके साथ प्रयोग करना शुरू किया। पहले, उन्होंने जाँच की कि क्या वे अच्छे चालक (conductors) हैं। वे थे! तार बिना जले बहुत अधिक बिजली ले जा सकते थे, यहाँ तक कि कमरे के तापमान पर भी। लेकिन असली जादू तब हुआ जब उन्होंने एक चुंबकीय क्षेत्र चालू किया।

तापमान स्विच

सामान्य पदार्थों में, एक चुंबकीय क्षेत्र आमतौर पर बिजली के प्रवाह को थोड़ा कठिन बना देता है। लेकिन इन TaAs2 तारों में, चुंबकीय क्षेत्र एक विशाल स्विच की तरह काम करता है। जब वैज्ञानिकों ने एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो तार अचानक बिजली का संचालन करना बंद कर दिया और एक इंसुलेटर में बदल गया। इसे "मेटल-टू-इंसुलेटर ट्रांजिशन" (metal-to-insulator transition) कहा जाता है।

सबसे दिलचस्प बात यह है: इसी सामग्री के बड़े टुकड़ों (जिन्हें "बल्क" कहा जाता है) में, यह स्विच केवल बहुत ठंडे तापमान, लगभग -200°C पर काम करता है। लेकिन इन सूक्ष्म, संरक्षित तारों में, यह स्विच लगभग -37°C (236 K) पर काम करता है। यह लगभग कमरे के तापमान के बराबर है! वैज्ञानिकों ने पाया कि तार जितना पतला होता, इस स्विच को बदलना उतना ही आसान होता जाता है। ऐसा लगता है जैसे तार का सूक्ष्म आकार चुंबकीय क्षेत्र को बहुत अधिक शक्तिशाली बना देता है, जिससे पदार्थ उन तापमानों पर भी अपना व्यक्तित्व बदल सकता है जिन्हें हम महसूस कर सकते हैं।

डबल-डेकर हाईवे

वैज्ञानिकों ने यह भी देखा कि जब चुंबकीय क्षेत्र तार के साथ बिल्कुल सटीक रूप से संरेखित (aligned) होता है, तो बिजली कैसे चलती है। उन्होंने कुछ अजीब देखा: प्रतिरोध (resistance - यानी बिजली के प्रवाह में कठिनाई) बढ़ने के बजाय कम हो गया। इसे "नेगेटिव मैग्नेटोरेसिस्टेंस" (negative magnetoresistance) कहा जाता है। यह ऐसा है जैसे यदि आप एक कार को आगे धकेलते हैं, और उसे धीमा करने के बजाय, हवा वास्तव में उसे और तेज़ जाने में मदद करती है।

उनका मानना है कि यह एक "काइरल विसंगति" (chiral anomaly) के कारण होता है, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि इलेक्ट्रॉन एक विशेष प्रकार के कण, जिसे 'वेइल फर्मियन' (Weyl fermion) कहा जाता है, की तरह व्यवहार कर रहे हैं। कल्पना कीजिए कि इलेक्ट्रॉन एक ट्रैक पर दौड़ने वाले दो टीमों के धावक हैं। सामान्य रूप से, वे विपरीत दिशाओं में दौड़ते हैं और एक-दूसरे को बेअसर कर देते हैं। लेकिन जब चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो यह उन्हें एक ही दिशा में दौड़ने के लिए मजबूर करता है, जिससे एक सुपर-फास्ट करंट पैदा होता है। यह पुष्टि करता है कि इस पदार्थ की एक विशेष टोपोलॉजिकल संरचना है जो इन कणों के अस्तित्व की अनुमति देती है।

क्वांटम नृत्य और दोहरा ताल

सबसे रोमांचक खोज, हालाँकि, बिजली में एक पैटर्न था जिसे "अहारोनोव-बोम ऑसिलेशन" (Aharonov-Bohm oscillations) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि इलेक्ट्रॉन तार के बाहर एक गोलाकार ट्रैक पर धावकों की तरह दौड़ रहे हैं। जब चुंबकीय क्षेत्र तार के केंद्र से गुजरता है, तो यह उनके दौड़ने की लय को बदल देता है, जिससे बिजली एक नियमित पैटर्न में ऊपर-नीच होती है।

आमतौर पर, आप एक एकल लय देखने की उम्मीद करेंगे, जैसे एक स्थिर ड्रम की थाप। लेकिन इन तारों में, वैज्ञानिकों ने एक "दोहरा पैटर्न" देखा। यह ऐसा था जैसे दो ड्रमर एक ही बीट बजा रहे हों लेकिन थोड़े असंतुलित होकर, जिससे एक जटिल, लहरदार लय पैदा हो रही हो।

दो ड्रमर क्यों? वैज्ञानिक बताते हैं कि यह पदार्थ एक "वीक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर" (Weak Topological Insulator) है। अन्य पदार्थों के विपरीत, जिनमें सतह पर केवल एक प्रकार का इलेक्ट्रॉन हाईवे होता है, इसमें दो अलग-अलग हाईवे (या "डायरैक कोन्स") अगल-बगल चलते हैं। प्रत्येक हाईवे अपनी लय बनाता है, और जब वे आपस में मिलते हैं, तो वे वह दोहरा पैटर्न बनाते हैं। यह एक मजबूत संकेत है कि इलेक्ट्रॉन तार की सतह पर एक पूरी तरह से समन्वित, क्वांटम-मैकेनिकल नृत्य कर रहे हैं, जो अंदरूनी गंदगी से सुरक्षित है।

यह क्यों मायने रखता है

यह शोध पत्र केवल एक शानदार ट्रिक नहीं दिखाता; यह एक प्रमुख समस्या का समाधान करता है। यह साबित करके कि इन तारों को बनाया जा सकता है, संरक्षित किया जा सकता है और अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर अध्ययन किया जा सकता है, वैज्ञानिकों ने वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के द्वार खोल दिए हैं। ये तार भविष्य के कंप्यूटरों के निर्माण खंड (building blocks) हो सकते हैं जो केवल आवेश (charge) के बजाय इलेक्ट्रॉनों के स्पिन (spin) का उपयोग करते हैं (स्पिंट्रोनिक्स), या यहाँ तक कि क्वांटм कंप्यूटर भी जो सूचना को बिना किसी त्रुटि के संग्रहीत करने के लिए इन विशेष इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं का उपयोग करते हैं।

शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि हालांकि उन्होंने इन अद्भुत प्रभावों को देखा है, लेकिन अभी भी बहुत कुछ सीखना बाकी है। वे सुझाव देते हैं कि उन्होंने जो दोहरा लय देखी है, वह संभवतः सतह पर मौजूद दो हाईवे के कारण है, लेकिन 100% निश्चित होने के लिए उन्हें और अधिक प्रयोगों की आवश्यकता है। वे यह भी नोट करते हैं कि हालांकि तार अभी बहुत अच्छा काम कर रहे हैं, लेकिन सुपरकंडक्टर्स (ऐसे पदार्थ जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करते हैं) के साथ उन्हें जोड़ना और भी अधिक विलक्षण क्वांटम अवस्थाओं को बनाने की दिशा में अगला कदम हो सकता है।

संक्षेप में, यह शोध पत्र हमें दिखाता है कि कैसे इलेक्ट्रॉनों के लिए एक छोटा, संरक्षित राजमार्ग बनाया जा सकता है जो उन तापमानों पर काम करता है जिनका हम वास्तव में उपयोग कर सकते हैं। यह विचित्र, जादुई क्वांटम भौतिकी के नियमों को वास्तविक, काम करने वाली तकनीक में बदलने की दिशा में एक कदम है।