Tunable Topological Superconductivity by Fully Compensated Ferrimagnets
यह शोध पत्र प्रस्तावित करता है कि पूर्णतः क्षतिपूरित फेरीमैग्नेट-आधारित हेटरोस्ट्रक्चर, बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता को समाप्त करके सुपरकंडक्टिंग कोहेरेंस को बनाए रखते हुए, एक, दो और उच्च आयामों में मेजरना बाउंड स्टेट्स के साथ टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी को साकार करने और विद्युत रूप से ट्यून करने के लिए एक बहुमुखी मंच के रूप में कार्य करते हैं।
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एक नए प्रकार के कंप्यूटर के निर्माण की खोज में, जो आज की मशीनों के लिए असंभव समस्याओं को हल कर सके, वैज्ञानिक एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के कण की तलाश कर रहे हैं। वे 'मजोरना बाउंड स्टेट' (Majorana bound state) नामक कुछ खोजने की कोशिश कर रहे हैं। एक ऐसे कण की कल्पना करें जो अपने स्वयं के एंटीपार्टिकल (प्रति-कण) के रूप में कार्य करता है, जो एक दुर्लभ और मायावी जीव है और यदि सही वातावरण में पाया जाए, तो जानकारी को इस तरह से संग्रहीत कर सकता है जो बाहरी शोर के प्रति अविश्वसनीय रूप से स्थिर हो। यह स्थिरता क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए 'होली ग्रेल' (पवित्र लक्ष्य) है, जो ऐसी मशीनों का वादा करती है जो वर्तमान प्रोटोटाइप की तरह आसानी से क्रैश नहीं होतीं या डेटा नहीं खोतीं। इन कणों को बनाने के लिए, शोधकर्ता आमतौर पर दो विपरीत बलों को मिलाने का प्रयास करते हैं: अतिचालकता (superconductivity), जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है, और चुंबकत्व (magnetism), जो आमतौर पर इस प्रवाह को बाधित करता है। चुनौती हमेशा यह रही है कि इन कणों को बनाने के लिए आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र अक्सर उस नाजुक अतिचालक अवस्था को नष्ट कर देते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को नियंत्रण और स्थिरता के बीच किसी एक को चुनने के लिए मजबूर होना पड़ता है।
बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक ऐसा समाधान प्रस्तावित किया है जो इस समझौते (trade-off) से पूरी तरह बचता है। मानक मैग्नेट का उपयोग करने के बजाय, जो एक शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं, वे एक 'फुली कंपंसेटेड फेरीमैग्नेट' (fully compensated ferrimagnet) नामक सामग्री का उपयोग करने का सुझाव देते हैं। इस सामग्री में, चुंबकीय परमाणु इस तरह व्यवस्थित होते हैं कि उनके व्यक्तिगत चुंबकीय खिंचाव एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिससे सामग्री में कोई समग्र चुंबकीय क्षेत्र नहीं बचता, फिर भी इसमें इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों को विभाजित करने के लिए आवश्यक आंतरिक चुंबकीय संरचना बनी रहती है। इस सामग्री को एक सुपरकंडक्टर के बगल में रखकर, शोधकर्ता दिखाते हैं कि वे एक ऐसा प्लेटफॉर्म बना सकते हैं जहाँ ये विशेष कण प्रकट हो सकते हैं और उन्हें बिना किसी बाहरी चुंबक के नियंत्रित किया जा सकता है।
टीम का काम, जो विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन और सैद्धांतिक मॉडलिंग पर आधारित है, यह रेखांकित करता है कि इस सामग्री का उपयोग तीन अलग-अलग आकारों में इन कणों को बनाने के लिए कैसे किया जा सकता है: एक रेखा के रूप में, एक सपाट सतह के रूप में, और एक कोने के रूप में। एक-आयामी (one-dimensional) सेटअप में, जहाँ एक पतले तार को चुंबकीय सामग्री और एक सुपरकंडक्टर के ऊपर रखा जाता है, सिमुलेशन दिखाते हैं कि ये विशेष कण तार के बिल्कुल सिरों पर दिखाई देते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे केवल एक इलेक्ट्रिक वोल्टेज लगाकर इन कणों को चालू या बंद कर सकते हैं, या उन्हें हिला सकते हैं। यह वोल्टेज चुंबकीय सामग्री के आंतरिक ऊर्जा परिदृश्य को बदल देता है, जो प्रभावी रूप से सिस्टम को एक सामान्य अवस्था और उस अवस्था के बीच स्विच करता है जहाँ कण मौजूद होते हैं। यह पिछले तरीकों से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जिनमें समान परिणाम प्राप्त करने के लिए अक्सर भौतिक रूप से चुंबकों को घुमाने या मजबूत बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों को लगाने की आवश्यकता होती थी।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि जब इस सेटअप को दो-आयामी (two-dimensional) रूप में विस्तारित किया जाता है तो क्या होता है। एक सपाट शीट में, सिमुलेशन भविष्यवाणी करते हैं कि कण सामग्री के किनारे के साथ एक धारा (stream) के रूप में बहते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक नदी किनारे के चारों ओर बहती है। इस धारा के बहने की दिशा सामग्री के भीतर आंतरिक चुंबकीय संरेखण द्वारा निर्धारित होती है। इस आंतरिक संरेखण की दिशा को बदलना, जिसे 'नेल वेक्टर' (Néel vector) कहा जाता है, बदलकर शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे कणों के प्रवाह को उलट सकते हैं। केवल विद्युत क्षेत्रों और आंतरिक चुंबकीय संरेखण का उपयोग करके प्रवाह की दिशा को नियंत्रित करने की यह क्षमता क्वांटम अवस्थाओं के हेरफेर के लिए नियंत्रण का एक नया स्तर प्रदान करती है।
शायद सबसे दिलचस्प खोज एक अधिक जटिल आकार से जुड़ी है जिसे 'हायर-ऑर्डर टोपोलॉजिकल फेज' (higher-order topological phase) कहा जाता है। इस परिदृश्य में, कण किनारों या तार के सिरों पर नहीं दिखाई देते, बल्कि विशेष रूप से सामग्री के कोनों में फंस जाते हैं। सिमुलेशन प्रकट करते हैं कि शोधकर्ता आंतरिक चुंबकीय संरेखण को घुमाकर यह तय कर सकते हैं कि कौन से कोने इन कणों की मेजबानी करेंगे। यदि वे संरेखण को एक दिशा में रखते हैं, तो कण कोनों के एक सेट में एकत्र होते हैं; यदि वे इसे घुमाते हैं, तो कण दूसरे सेट के कोनों में स्थानांतरित हो जाते हैं। बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के प्राप्त यह स्थानिक नियंत्रण (spatial control), यह सुझाव देता है कि सामग्री की आंतरिक संरचना को बदलकर एक क्वांटम डिवाइस के माध्यम से सूचना को रूट (मार्गदर्शन) किया जा सकता है।
यह अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति ही इसकी सफलता की कुंजी है। पारंपरिक सेटअप में, मैग्नेट से निकलने वाले 'स्ट्रे मैग्नेटिक फील्ड्स' (stray magnetic fields) इलेक्ट्रॉनों के सुपरकंडक्टिंग जोड़ों को तोड़ देते हैं, जिससे वह प्रभाव कमजोर हो जाता है जिसे वैज्ञानिक हासिल करने की कोशिश कर रहे हैं। एक फुली कंपंसेटेड फेरीमैग्नेट का उपयोग करके, सिस्टम सुपरकंडक्टिविटी को बनाए रखता है जबकि यह कणों को बनाने के लिए आवश्यक चुंबकीय प्रभाव भी प्रदान करता है। शोधकर्ता बताते हैं कि यह दृष्टिकोण इसलिए काम करता है क्योंकि यह सामग्री विद्युत क्षेत्र को इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा विभाजन को ट्यून करने की अनुमति देती है, जो अन्य प्रकार की कंपंसेटेड चुंबकीय सामग्रियों में संभव नहीं है।
हालाँकि ये परिणाम वर्तमान में सैद्धांतिक हैं और गणितीय मॉडलों पर आधारित हैं, लेकिन यह पेपर यह स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है कि इस तरह के सिस्टम को कैसे बनाया और परखा जा सकता है। लेखक सुझाव देते हैं कि वैज्ञानिक इन कणों को स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप जैसे मानक उपकरणों का उपयोग करके खोज सकते हैं, जो इन कणों द्वारा उत्पन्न अद्वितीय विद्युत संकेतों का पता लगा सकते हैं। वे यह भी प्रस्तावित करते हैं कि सामग्री के माध्यम से गर्मी के प्रवाह को मापने से किनारे की धाराओं की उपस्थिति का पता चल सकता है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने एक काम करने वाला क्वांटम कंप्यूटर बनाया है, बल्कि यह एक बहुमुखी और ट्यूनेबल प्लेटफॉर्म स्थापित करता है जहाँ इन कणों की स्थितियों को अभूतपूर्व नियंत्रण के साथ बनाया और हेरफेर किया जा सकता है। यह सिद्ध करके कि विद्युत क्षेत्र और आंतरिक चुंबकीय संरेखण भारी बाहरी चुंबकों की जगह ले सकते हैं, शोधकर्ता स्केलेबल और स्थिर क्वांटम उपकरणों के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं जो एक दिन अगली पीढ़ी की कंप्यूटिंग को शक्ति दे सकते हैं।
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