Supercurrent Diode Effect in Josephson Interferometers with Multiband Superconductors
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि चुंबकीय क्षेत्र मल्टीबैंड सुपरकंडक्टर्स वाले SQUIDs में सुपरकरंट रेक्टिफिकेशन (supercurrent rectification) के आयाम और दिशा को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित कर सकते हैं, जो यह प्रकट करता है कि टाइम-रिवर्शल सिमिट्री ब्रेकिंग (time-reversal symmetry breaking) चुंबकीय फ्लक्स पंपिंग को सक्षम करने वाले विशिष्ट संकेत उत्पन्न करती है, जबकि यह भी दर्शाता है कि एंटीफेज पेयरिंग (antiphase pairing) रेक्टिफिकेशन प्रभाव को प्रभावित नहीं करती है।
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बिजली की कल्पना नन्हे, अदृश्य तैराकों यानी इलेक्ट्रॉन्स की एक नदी के रूप में करें। अधिकांश सामग्रियों में, ये तैराक चट्टानों और दीवारों से टकराते हैं, जिससे प्रतिरोध पैदा होता है जो उन्हें धीमा कर देता है और उनकी ऊर्जा को ऊष्मा में बदल देता है। लेकिन सुपरकंडक्टर (अतिचालक) नामक पदार्थ की एक विशेष अवस्था में, ये इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाते हैं और बिना किसी घर्षण के सामग्री के माध्यम से फिसलते हैं, जैसे कि एक बिल्कुल चिकना आइस रिंक जहाँ कोई भी लड़खड़ाता नहीं है। यह सुपरकंडक्टिविटी (अतिचालकता) की दुनिया है, एक ऐसी घटना जिसने दशकों से वैज्ञानिकों को मंत्रमुग्ध किया है क्योंकि यह वादा करती है कि यह हमारे ऊर्जा चलाने और कंप्यूटर बनाने के तरीके में क्रांति ला सकती है।
अब, एक ऐसी नदी की कल्पना करें जो इस बात पर निर्भर करती है कि आप उसे किस दिशा से देख रहे हैं। सामान्य दुनिया में, यदि आप एक गेंद को ऊपर की ओर धकेलते हैं, तो वह उसी तरह वापस नीचे लुढ़क जाती है। लेकिन "नॉन-रेसिप्रोकल" (गैर-परस्पर) सुपरकंडक्टिविटी के विचित्र क्षेत्र में, नदी एक तरफ आसानी से बह सकती है लेकिन दूसरी तरफ जाने में फंस सकती है, जो बिजली के लिए एक वन-वे वॉल्व या डायोड की तरह कार्य करती है। यह 'सुपरकरेंट डायोड इफेक्ट' है। आमतौर पर, बिजली को इस तरह व्यवहार करने के लिए बनाने हेतु, वैज्ञानिकों को भौतिकी के एक मौलिक नियम को तोड़ना पड़ता है जिसे "टाइम-रिवर्ज़ल सिमिट्री" (समय-प्रतिवर्ती समरूपता) कहते हैं—सरल शब्दों में, यह कि सिस्टम कैसा दिखता है यदि आप इसका वीडियो पीछे की ओर चलाएं। हालांकि चुंबकीय क्षेत्र इसके लिए सामान्य उपकरण है, एक नया प्रश्न उभरा है: क्या कुछ जटिल सामग्रियां बाहरी चुंबक के बिना खुद ही इस समरूपता को तोड़ सकती हैं? यह शोध पत्र इसी रहस्य की खोज करता है, यह पता लगाता है कि कैसे ये स्वयं-तोड़ने वाली सामग्रियां एक चतुर इलेक्ट्रॉनिक लूप में साधारण सामग्रियों के साथ मिलकर व्यवहार करती हैं।
शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक वर्चुअल प्लेग्राउंड (आभासी खेल का मैदान) बनाने का निर्णय लिया। उन्होंने SQUID (सुपरकंडक्टिंग क्वांटम इंटरफेरेंस डिवाइस) नामक एक उपकरण पर ध्यान केंद्रित किया, जो अनिवार्य रूप रूप से तार का एक छोटा लूप है जिसमें दो संकीर्ण पुल, जिन्हें जोसेफसन जंक्शन कहा जाता है, दोनों पक्षों को जोड़ते हैं। एक SQUID की कल्पना एक रेस ट्रैक की तरह करें जिसमें दो लेन हैं। आमतौर पर, यदि आप इस ट्रैक के चारों ओर एक सुपरकरंट भेजते हैं, तो यह क्लॉकवाइज (घड़ी की दिशा में) या काउंटर-क्लॉकवाइज (घड़ी की विपरीत दिशा में) जाने पर समान गति से बहता है। लेकिन टीम यह देखना चाहती थी कि क्या होता है यदि वे एक लेन को "मल्टीबैंड" सुपरकंडक्टर से बदल दें।
सरल शब्दों में, एक मल्टीबैंड सुपरकंडक्टर एक ऐसी सामग्री की तरह है जिसमें एक ही समय में चलने वाली कई ट्रैफिक लेन होती हैं, जहाँ विभिन्न लेन में मौजूद इलेक्ट्रॉन जटिल तरीकों से एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं। कुछ सामग्रियों का एक रहस्य होता है: वे स्वतः ही टाइम-रिवर्ज़ल सिमिट्री को तोड़ सकती हैं, जिसका अर्थ है कि उनके आंतरिक "ट्रैफिक नियम" बाहरी चुंबक के बिना भी पहले से ही पक्षपाती होते हैं। वैज्ञानिकों ने सिम्युलेट किया कि क्या होगा यदि वे अपने SQUID लूप में इन पेचीदा मल्टीबैंड सामग्रियों को मानक सिंगल-बैंड सुपरकंडक्टर्स के साथ मिलाते हैं और फिर एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं।
उनके सिमुलेशन ने कुछ दिलचस्प पैटर्न प्रकट किए। सबसे पहले, उन्होंने पाया कि यदि मल्टीबैंड सामग्री में "π-पेयरिंग" (जहाँ इलेक्ट्रॉन तरंगों के चरण बिल्कुल विपरीत होते हैं, जैसे कि यिन-यांग प्रतीक) नामक एक विशिष्ट प्रकार का आंतरिक संबंध था, तो इसने एक पूरी तरह से संतुलित सेटअप में अपने आप में डायोड प्रभाव पैदा नहीं किया। हालाँकि, कहानी बदल जाती है यदि लूप में दोनों पुल (जंक्शन) समान नहीं हैं। यदि दोनों पुलों का विद्युत प्रतिरोध असमान है, तो यह π-पेयरिंग डायोड प्रभाव प्रकट होने की अनुमति देती है। मुख्य निष्कर्ष यह है कि जबकि π-पेयरिंग प्रभाव के प्रकार (गुणात्मक आकार) को नहीं बदलती है, लेकिन यह डायोड प्रभाव को होने से नहीं रोकती है यदि उपकरण स्वयं थोड़ा अपूर्ण या असममित है।
हालाँकि, कहानी नाटकीय रूप से बदल जाती है जब मल्टीबैंड सामग्री अधिक जटिल तरीके से टाइम-रिवर्ज़ल सिमिट्री को तोड़ती है। इन मामलों में, चुंबकीय क्षेत्र एक शक्तिशाली रिमोट कंट्रोल बन गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र को समायोजित करके, वे स्वतंत्र रूप से इस बात को नियंत्रित कर सकते हैं कि वन-वे प्रभाव कितना मजबूत है और करंट किस दिशा में बहना पसंद करता है। यह ऐसा है जैसे चुंबकीय क्षेत्र रेडियो को ट्यून कर रहा हो ताकि वह सुपरकरंट की दिशा के स्टेशन और वॉल्यूम दोनों को बदल सके।
सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक "पैरिटी" (समता) के बारे में था। सामान्य स्थितियों में, यदि आप चुंबकीय क्षेत्र की दिशा बदलते हैं, तो डायोड प्रभाव भी बदल जाता है, जो औसत निकालने पर एक-दूसरे को रद्द कर देता है। लेकिन इन टाइम-रिवर्ज़ल सिमिट्री ब्रेकिंग सामग्रियों के साथ, प्रभाव एक दर्पण छवि की तरह व्यवहार करता था; यह वैसा ही दिखता था चाहे चुंबकीय क्षेत्र बाएं या दाएं इशारा कर रहा हो। इसका मतलब था कि भले ही आप चुंबकीय क्षेत्र को आगे-पीछे घुमाते, औसत "वन-वे-नेस" शून्य तक रद्द नहीं होता। यह एक स्थायी, मापने योग्य हस्ताक्षर छोड़ देता था।
टीम ने यह भी देखा कि क्या होता है यदि वे मल्टीबैंड सामग्री में एक तीसरा "लेन" जोड़ते हैं (एक थ्री-बैंड सुपरकंडक्टर)। उन्होंने पाया कि इन जटिल सेटअपों में, डायोड प्रभाव उन विशिष्ट चुंबकीय क्षेत्र शक्तियों पर भी मजबूत बना रह सकता है जहाँ यह सरल उपकरणों में आमतौर पर गायब हो जाता है। यह सुझाव देता है कि ये सामग्रियां अविश्वसनीय रूप से मजबूत हैं और इनका उपयोग "मैग्नेटिक फ्लक्स पंप" बनाने के लिए किया जा सकता है—ऐसे उपकरण जो संभावित रूप से चुंबकीय ऊर्जा को पंप कर सकते हैं या चुंबकीय क्षेत्रों को व्यवस्थित कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक डायोड विद्युत धारा को व्यवस्थित करता है।
लेखक सुझाव देते हैं कि आयरन-आधारित सुपरकंडक्टर्स (विशेष रूप से एक यौगिक BaxK1−xFe2As2) या कागोम सामग्रियां (जैसे CsV3Sb5) इन विचारों का परीक्षण करने के लिए वास्तविक दुनिया के उम्मीदवार हो सकते हैं। वे प्रस्ताव करते हैं कि तापमान को चक्रित करके या चुंबकीय क्षेत्र को बदलकर, हम इस सुपरकरंट डायोड की दिशा को चालू या बंद कर सकते हैं, जो क्वांटम सूचना को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदान करता है। हालांकि ये परिणाम वर्तमान में सैद्धांतिक गणनाओं और सिमुलेशन पर आधारित हैं, वे प्रयोगकर्ताओं के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं: यदि आप इन विशिष्ट मल्टीबैंड सामग्रियों के साथ एक SQUID बनाते हैं, तो आपको ये अद्वितीय, गैर-निरस्त होने वाले हस्ताक्षर दिखने चाहिए जो साबित करते हैं कि टाइम-रिवर्ज़ल सिमिट्री टूट गई है, जो उन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलता है जिन्हें डायोड के रूप में कार्य करने के लिए बाहरी चुंबकों की आवश्यकता नहीं होती है।
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