Reversal of tracer advection and Hall drift in an interacting chiral fluid

तरल पदार्थों की शांत दुनिया में, हम एक सरल नियम के अभ्यस्त हैं: किसी चीज़ को धकेलें, और वह आपके धकेलने की दिशा में चलती है। यदि आप चम्मच से कॉफी का कप हिलाते हैं, तो तरल चम्मच के साथ घूमता है; यदि आप किसी पत्ते पर फूंक मारते हैं, तो वह आपकी सांस से दूर उड़ जाता है। यह सहज व्यवहार इस बात पर निर्भर करता है कि तरल एक निष्क्रिय, सममित माध्यम के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, प्रकृति में तरल पदार्थों का एक विशेष वर्ग है जो इस समरूपता को तोड़ देता है, जिन्हें 'काइरल फ्लूइड्स' (chiral fluids) के रूप में जाना जाता है। "काइरल" शब्द उन वस्तुओं का वर्णन करता है जिन्हें उनके दर्पण प्रतिबिंबों पर आरोपित नहीं किया जा सकता, ठीक वैसे ही जैसे एक बायां हाथ दाहिने हाथ के दस्ताने में पूरी तरह से फिट नहीं हो सकता। इन तरल पदार्थों में, सूक्ष्म कणों में एक अंतर्निहित 'हाथ की बनावट' (handedness) या घूर्णन होता है जो सामान्य प्रवाह पैटर्न को बाधित करता है। केवल आगे बढ़ने के बजाय, ये तरल पदार्थ पार्श्व धाराएं उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे एक अद्वितीय प्रकार की गति पैदा होती है जहाँ एक दिशा में लगाया गया बल इसके लंबवत विस्थापन (drift) का परिणाम होता है। यह समझना कि ये तरल पदार्थ कैसे व्यवहार करते हैं, पानी की एक बूंद में बैक्टीरिया की गति से लेकर उन्नत कंप्यूटिंग में उपयोग किए जाने वाले विदेशी चुंबकीय पदार्थों की गतिशीलता तक की घटनाओं को समझाने के लिए महत्वपूर्ण है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बात पर करीब से नज़र डाली है कि जब एक एकल कण, या ट्रेसर, ऐसे काइरल तरल के माध्यम से चलता है जो अन्य कणों से भरा हुआ है। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से समझते आए हैं कि एक खाली, काइरल वातावरण में एक अकेला कण कैसे व्यवहार करता है, वास्तविक दुनिया शायद ही कभी खाली होती है। कण लगातार एक-दूसरे से टकराते हैं, और इन अंतःक्रियाओं को पहले केवल गति को धीमा करने या अनुमानित घर्षण पैदा करने के रूप में माना जाता था। एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने गणितीय सिद्धांत को कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़ा ताकि एक परस्पर क्रिया करने वाले कणों से भरे तरल की जांच की जा सके, जिनमें से सभी में यही काइरल प्रकृति थी। उन्होंने पाया कि अन्य कणों की उपस्थिति केवल गति में बाधा ही नहीं डालती; यह गति के नियमों को पूरी तरह से पलट भी सकती है। विशिष्ट परिस्थितियों में, एक बाहरी बल द्वारा धकेला गया कण न केवल अपेक्षित दिशा के विपरीत पार्श्व दिशा में विस्थापित होगा, बल्कि वह पीछे की ओर भी चलेगा, सीधे उस बल के विरुद्ध जो उसे धकेल रहा है।

शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली का मॉडल तैयार किया जहाँ एक केंद्रीय ट्रेसर कण और आसपास के मेजबान कणों के समूह पर एक निरंतर खींचने वाला बल लगाया गया था। एक सामान्य तरल में, ट्रेसर बस आगे बढ़ेगा, शायद अपने पड़ोसियों के साथ टक्करों के कारण धीमा हो जाएगा। हालाँकि, उनके काइरल मॉडल में, परिणाम इस बात पर बहुत अधिक निर्भर था कि तरल कितना "अजीब" (odd) था—जो इसकी घूर्णी विषमता (rotational asymmetry) का एक माप है—और कण कितने घने पैक थे। जब तरल का घनत्व कम था, तो ट्रेसर मानक भौतिकी के अनुसार व्यवहार करता था, एक विशिष्ट पार्श्व विस्थापन के साथ आगे बढ़ता था। लेकिन जैसे ही शोधकर्ताओं ने घनत्व बढ़ाया, एक चौंकाने वाला उलटफेर हुआ। एक बार जब तरल एक निश्चित भीड़भाड़ के स्तर पर पहुँच गया और घूर्णी विषमता पर्याप्त मजबूत हो गई, तो ट्रेसर पीछे की ओर बढ़ने लगा, लगाए गए खिंचाव की दिशा के विपरीत। यह घटना, जिसे लेखक 'नेगेटिव मोबिलिटी' (negative mobility) के एक रूप के रूप में वर्णित करते हैं, यह सुझाव देती है कि कणों के बीच की अंतःक्रिया एक सामूहिक प्रभाव पैदा करती है जो ट्रेसर पर लगने वाले प्रत्यक्ष बल पर हावी हो जाता है।

यह प्रति-सहज व्यवहार दो अलग-अलग तंत्रों के मिलकर काम करने से संचालित होता है। पहला एक सीधा प्रतिरोध है, जहाँ ट्रेसर बस अपने पड़ोसियों की भीड़ के खिलाफ संघर्ष करता है, जो एक परिचित अवधारणा है। दूसरा, और अधिक आश्चर्यजनक तंत्र एक अप्रत्यक्ष प्रभाव है जहाँ आसपास की भीड़ की गति वास्तव में ट्रेसर को बल की विपरीत दिशा में खींच लेती है। एक काइरल तरल में, पड़ोसियों की पार्श्व गति, जो उनके अपने घूर्णन के कारण होती है, एक ऐसा प्रवाह बनाती है जो ट्रेसर को पीछे की ओर धकेलता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उच्च घनत्व पर यह अप्रत्यक्ष खिंचाव इतना मजबूत हो जाता है कि यह आगे के धक्के को रद्द कर देता है और उससे भी अधिक होता है, जिसके परिणामस्वरूप शुद्ध पीछे की ओर गति होती है। यह प्रभाव केवल पीछे की ओर बढ़ने तक सीमित नहीं है; पार्श्व विस्थापन, जिसे 'हॉल ड्रिफ्ट' (Hall drift) कहा जाता है, भी उलट जाता है। दाईं ओर विस्थापित होने के बजाय, कण बाईं ओर विस्थापित होता है, जो काइरल परिवहन के मानक नियमों को चुनौती देता है।

अध्ययन ने इस बात की भी जांच की कि क्या होता है जब ट्रेसर और आसपास के तरल पर लगने वाले बल संरेखित नहीं होते हैं। एक परिदृश्य में जहाँ ट्रेसर को एक दिशा में खींचा जाता है जबकि आसपास के तरल को एक लंबवत दिशा में खींचा जाता है, शोधकर्ताओं ने पाया कि पार्श्व विस्थापन का उलटना और आगे की गति का उलटना स्वतंत्र रूप से हो सकता है। इसका अर्थ यह है कि तरल के घनत्व और घूर्णी विषमता की शक्ति को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, कण की गति को किसी भी दिशा में नियंत्रित करना संभव है, यहाँ तक कि उसे लगाए गए बल के विरुद्ध चलाना भी, बिना किसी बाहरी ऊर्जा स्रोत के जो स्वयं प्रणाली की तापीय गति हो। निष्कर्षों की पुष्टि हजारों कणों के संचलन को ट्रैक करने वाले विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से की गई, जिसने छोटे घूर्णी प्रभावों के लिए सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के साथ मजबूत सहमति दिखाई, हालांकि सिमुलेशन ने खुलासा किया कि यह प्रभाव उच्च स्तर की विषमता पर प्रारंभिक सिद्धांत की तुलना में और भी अधिक नाटकीय हो जाता है।

ये परिणाम भीड़भाड़ वाले वातावरण में कणों के चलने की पारंपरिक समझ को चुनौती देते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह व्यवहार केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है बल्कि इसके प्रकृति और प्रयोगशाला में पाए जाने वाले तंत्रों में वास्तविक निहितार्थ हैं। उदाहरण के लिए, यह बैक्टीरिया के सस्पेंशन में ट्रेसर की गति को समझा सकता है, जहाँ स्व-चालित जीव काइरल प्रवाह बनाते हैं, या उन चुंबकीय सामग्रियों में जहाँ स्काईर्मियन्स (skyrmions) नामक सूक्ष्म चुंबकीय संरचनाएं एक जाली (lattice) के माध्यम से चलती हैं। यह खोज कि एक निष्क्रिय कण को उसके पड़ोसियों के सामूहिक व्यवहार द्वारा बल के विरुद्ध चलाया जा सकता है, जटिल तरल पदार्थों में परिवहन को समझने के नए रास्ते खोलती है। यह रेखांकित करता है कि काइरल प्रणालियों में, पूर्ण केवल उसके भागों का योग नहीं है; कणों के बीच की अंतःक्रिया एक गतिशील इंजन बनाती है जो कार्य कर सकती है और वस्तुओं को उन तरीकों से चला सकती है जो धकेलने की दिशा को चुनौती देते हुए प्रतीत होते हैं। यह कार्य इन असामान्य तरल पदार्थों को नियंत्रित करने वाली छिपी हुई यांत्रिकी की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है, जो एक ऐसी दुनिया को प्रकट करता है जहाँ आगे धकेलने का अर्थ कभी-कभी पीछे की ओर बढ़ना हो सकता है।