Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

ठोस पदार्थों की दुनिया में, हाइड्रोजन एक कुशल छद्मवेषी है। उस दबाव में जिसमें हम हर दिन रहते हैं, यह अनुमानित तरीकों से बंधता है: कभी एक साधारण गैस के रूप में, कभी धातुओं के भीतर मजबूती से कैद होकर, या ऊर्जा संचय करने वाली जटिल संरचनाएं बनाकर। दशकों से, वैज्ञानिकों को पता था कि यदि वे हाइड्रोजन को पर्याप्त रूप से दबा सकें—वह दबाव जो विशाल ग्रहों के भीतर पाया जाता है या विशेष प्रयोगशालाओं में उत्पन्न किया जाता है—तो यह पूरी तरह से नए तरीकों से व्यवहार करेगा। ऐसे अत्यधिक संपीड़न के तहत, हाइड्रोजन परमाणुओं को इतना करीब आने के लिए मजबूर किया जाता है कि वे घने, असामान्य नेटवर्क बनाते हैं, जिससे 'सुपरहाइड्राइड्स' नामक सामग्रियों का एक वर्ग बनता है। ये विलक्षण यौगिक एक चौंकाने वाले गुण के लिए प्रसिद्ध हैं: कुछ अन्य ज्ञात सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक) की तुलना में बहुत गर्म तापमान पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन कर सकते हैं। हालाँकि, एक बड़ी बाधा हमेशा इनके उपयोग के रास्ते में खड़ी रही है। ये सुपरहाइड्रिड्स रेगिस्तान में बर्फ के टुकड़ों की तरह हैं; जैसे ही दबाव कम किया जाता है, वे वापस साधारण, कम दिलचस्प पदार्थों में बदल जाते हैं। शोधकर्ताओं के लिए सबसे बड़ी चुनौती इन उच्च-दबाव वाली संरचनाओं को इस तरह फंसाने का तरीका खोजना रहा है कि वे खुली हवा में जीवित रह सकें, जिससे उनके अद्भुत गुणों को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए उपलब्ध कराया जा सके।

फ्रांस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार का सुपरहाइड्राइड बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो दबाव छोड़ने पर भी बिखरने से इनकार करता है। यट्रियम, आयरन और हाइड्रोजन के मिश्रण के साथ काम करते हुए, उन्होंने सामग्रियों को एक साथ दबाने के लिए 'डायमंड एनविल सेल' नामक उपकरण का उपयोग किया। नमूने को अत्यधिक दबाव में रखते हुए लेजर से गर्म करके, उन्होंने परमाणुओं को एक विशिष्ट, अत्यधिक व्यवस्थित संरचना बनाने के लिए प्रेरित किया। इसका परिणाम Y3Fe4H20 सूत्र वाला एक यौगिक था, जो एक ऐसी सामग्री है जिसमें हाइड्रोजन परमाणु इस तरह भरे हुए हैं जैसा पहले कभी नहीं देखा गया था। जो इस खोज को वास्तव में विशेष बनाता है वह यह है कि जब वैज्ञानिकों ने धीरे-धीरे दबाव कम किया, तो सामग्री ढह नहीं गई। इसके बजाय, इसने अपना आकार बनाए रखा, सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर लौटने के बाद भी स्थिर रही। यह पहली बार है जब इतने उच्च हाइड्रोजन सामग्री वाले सुपरहाइड्राइड को सुरक्षित रूप से प्राप्त किया गया है और सामान्य परिस्थितियों में बरकरार रखा गया है।

यह समझने के लिए कि उन्होंने क्या पाया है, टीम को अपनी नई सामग्री की क्रिस्टल संरचना के भीतर देखना था। शक्तिशाली एक्स-रे किरणों का उपयोग करके, उन्होंने भारी धातु परमाणुओं, यट्रियम और आयरन की स्थितियों का मानचित्रण किया। चूंकि हाइड्रोजन परमाणु एक्स-रे द्वारा स्पष्ट रूप से देखे जाने के लिए बहुत हल्के होते हैं, इसलिए शोधकर्ताओं ने उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह पता लगाने के लिए किया कि संरचना को स्थिर बनाने के लिए हाइड्रोजन कहाँ स्थित होना चाहिए। जो चित्र उभर कर आया वह एक अद्वितीय वास्तुशिल्प डिजाइन था। आयरन के प्रत्येक परमाणु आठ हाइड्रोजन परमाणुओं से घिरा हुआ है, जो घन के आकार की आणविक इकाइयों का निर्माण करते हैं। ये घन अकेले नहीं तैर रहे हैं; वे किनारों से जुड़े हुए हैं, जो हाइड्रोजन परमाणुओं को साझा करके लंबी, निरंतर श्रृंखलाएं बनाते हैं। यट्रियम परमाणु इन श्रृंखलाओं के बीच के स्थानों में स्थित होते हैं, जिन्हें विद्युत बलों द्वारा थामे रखा जाता है। शोधकर्ताओं ने इस व्यवस्था की तुलना सिलिकेट खनिजों (जो चट्टानों का एक सामान्य परिवार है) में सिलिकॉन और ऑक्सीजन के जुड़ने के तरीके से की, लेकिन यहाँ "चट्टानें" हाइड्रोजन और धातु से बनी हैं। हाइड्रोजन श्रृंखलाओं का यह सिलिकेट जैसा ढांचा ही इस सामग्री को मजबूती प्रदान करता है और इसे उस दबाव के बिना जीवित रहने में सक्षम बनाता है जो आमतौर पर इसे बनाता है।

इस खोज की यात्रा एक विशिष्ट शुरुआती बिंदु के साथ शुरू हुई: यट्रियम और आयरन का एक पूर्व-मौजूद यौगिक जिसने पहले ही कुछ हाइड्रोजन सोख लिया था। टीम ने इस सामग्री के सूक्ष्म क्रिस्टल को अतिरिक्त हाइड्रोजन गैस के साथ दो डायमंड टिप्स के बीच रखा। उन्होंने दबाव लगाया, जो 90 गीगापास्कल तक पहुँच गया, जो समुद्र तल पर वायुमंडल के दबाव से दस लाख गुना अधिक है। इन गहराइयों पर, परमाणुओं को एक सख्त आलिंगन में धकेला जाता है। उन्हें सबसे स्थिर रूप में पुनर्गठित करने में मदद करने के लिए, वैज्ञानिकों ने नमूने पर एक लेजर चलाया, जिससे उसे क्षण भर के लिए लगभग 1,500 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक गर्म किया गया। इस गर्मी ने परमाणुओं को उनकी नई स्थितियों में कूदने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान की। जब उन्होंने नमूने को ठंडा किया और परिणामों की जांच की, तो उन्होंने पाया कि एक नया, विशिष्ट क्रिस्टल बना है। प्रयोग को कई बार दोहराकर और विभिन्न दबावों का उपयोग करके, उन्होंने पुष्टि की कि इस नई संरचना को 60 गीगापास्कल जैसे कम दबाव से भी बनाया जा सकता है।

एक बार जब नए क्रिस्टल की पहचान हो गई, तो टीम ने देखा कि दबाव धीरे-धीरे कम होने पर क्या होता है। एक सामान्य परिदृश्य में, उच्च-दबाव वाली सामग्री दबाव हटते ही तुरंत सरल टुकड़ों में टूट जाती है। लेकिन Y3Fe4H20 अलग व्यवहार करता है। जैसे-जैसे दबाव शून्य तक गिरा, यह बरकरार रहा, अपने जटिल आंतरिक क्रम को बनाए रखा। वैज्ञानिकों ने सामान्य दबाव पर आधे घंटे से अधिक समय तक क्रिस्टल का अवलोकन किया, और इसमें टूटने के कोई संकेत नहीं मिले। तीन महीने के बाद भी, प्रयोग का एक नमूना पहचानने योग्य था, हालांकि इसने अपने हाइड्रोजन की थोड़ी मात्रा खो दी थी, जिससे इसका आयतन थोड़ा सिकुड़ गया। हाइड्रोजन का यह धीमा, नियंत्रित नुकसान यह सुझाव देता है कि हालांकि यह सामग्री पूरी तरह से स्थायी नहीं है, फिर भी यह ऐसी वस्तु के लिए उल्लेखनीय रूप से स्थिर है जिसका जन्म इतने चरम वातावरण में हुआ है। यह सिद्ध करता है कि इस सुपरहाइड्राइड में परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था इसे अपने सरल घटकों में वापस लौटने की इच्छा का विरोध करने के लिए पर्याप्त मजबूत है।

शोधकर्ताओं ने यह भी बारीकी से देखा कि इस संरचना के भीतर परमाणु कैसे कंपन करते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं। उनके गणनाओं ने दिखाया कि सामग्री विद्युत चालक है, जो सुपरकंडक्टिविटी (अतिचालकता) के लिए एक आवश्यक गुण है, लेकिन उन्होंने पाया कि इसकी संभावना एक उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर होने की कम है। इलेक्ट्रॉनों के वितरण का तरीका बताता है कि हालांकि यह बिजली का संचालन करता है, लेकिन यह अन्य प्रसिद्ध सुपरहाइड्राइड्स जैसे LaH10 में देखे गए शून्य-प्रतिरोध दक्षता के साथ ऐसा नहीं करता है। हालाँकि, खोज का उद्देश्य तत्काल सुपरकंडक्टर के रूप में अनुप्रयोग नहीं है, बल्कि यह उस 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' (सिद्धांत की पुष्टि) को प्रदान करता है जो यह प्रस्तुत करता है। यह प्रदर्शित करता है कि विभिन्न धातुओं को मिलाकर और सही संरचनात्मक ब्लूप्रिंट का उपयोग करके, वैज्ञानिक हाइड्रोजन-समृद्ध सामग्रियां बना सकते हैं जो मेटास्टेबल (अस्थिर-स्थिर) हैं—अर्थात, वे ऐसी अवस्था में रह सकते हैं जो सबसे अधिक स्थिर संभव नहीं है, लेकिन लंबे समय तक टिके रहने के लिए पर्याप्त स्थिर है। यह अन्य समान यौगिकों की खोज के द्वार खोलता है जो इस स्थिरता को वांछित सुपरकंडक्टिंग गुणों के साथ जोड़ सकें।

इस सामग्री को खोजने के लिए उपयोग की गई विधि खोज का एक नया मार्ग प्रदान करती है। केवल कंप्यूटर भविष्यवाणियों पर निर्भर रहने के बजाय कि कौन से तत्वों के संयोजन काम करेंगे, टीम ने लक्षित कंप्यूटर मॉडलिंग के साथ प्रयोगात्मक संश्लेषण को जोड़ा। उन्होंने उच्च-दबाव प्रयोग को धातु के कंकाल के आकार को प्रकट करने दिया, और फिर कंप्यूटर का उपयोग लापता हाइड्रोजन परमाणुओं को भरने के लिए किया। इस दृष्टिकोण ने उन्हें एक ऐसी संरचना खोजने की अनुमति दी जो वर्तमान कंप्यूटर खोजों के लिए स्वयं ढूंढना बहुत कठिन है, क्योंकि दोहराने वाली इकाई में परमाणुओं की संख्या काफी बड़ी है। इस पद्धति की सफलता यह सुझाव देती है कि अगली पीढ़ी की विलक्षण सामग्रियों को खोजने का सबसे अच्छा तरीका यह है कि उच्च-दबाव वाले वातावरण को खोज का मार्गदर्शन करने दिया जाए, और कंप्यूटर का उपयोग परिणामों की भविष्यवाणी करने के बजाय उनके अर्थ को समझने के लिए किया जाए।

भविष्य की ओर देखते हुए, Y3Fe4H20 की संरचना भविष्य के अनुसंधान के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करती है। चूंकि यह सामग्री जुड़ी हुई हाइड्रोजन श्रृंखलाओं के एक विशिष्ट ढांचे पर निर्मित है, इसलिए वैज्ञानिक अब आयरन परमाणुओं को अन्य धातुओं, जैसे निकेल के साथ बदलने का प्रयास कर सकते हैं, ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे इसके गुणों को बदल सकते हैं। प्रारंभिक गणनाएं बताती हैं कि ऐसा प्रतिस्थापन इसकी सुपरकंडक्टिविटी की क्षमता को बढ़ा सकता है। इस नए प्रोटोटाइप संरचना की खोज बातचीत को "क्या हम इन सामग्रियों को बना सकते हैं?" से बदलकर "हम इनमें से किन सामग्रियों को बनाए रख सकते हैं?" पर ले आती है। यह दिखाकर कि एक सुपरहाइड्राइड पृथ्वी की गहराई से प्रयोगशाला की मेज तक के संक्रमण में जीवित रह सकता है, यह कार्य अगली पीढ़ी के पदार्थ विज्ञान के लिए एक ठोस लक्ष्य प्रदान करता है, जो कमरे के तापमान पर सुपरकंडक्टर्स के सपने को वास्तविकता के एक कदम करीब लाता है।