Establishment of global phase coherence in a highly disordered fractal MgO/MgB2 nanocomposite: Roles of interface, morphology and defect

अव्यवस्था से व्यवस्था बनाने का जादू

कल्पना कीजिए कि आप इलेक्ट्रॉनों नामक नन्हे, अदृश्य कारों के लिए एक सुपरहाइवे बनाने की कोशिश कर रहे हैं। अधिकांश सामग्रियों में, ये कारें बाधाओं से टकराती हैं, ट्रैफिक में खो जाती हैं, या पूरी तरह से रुक जाती हैं। लेकिन सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक) नामक एक विशेष वर्ग की सामग्रियों में, ये इलेक्ट्रॉन एक टीम बनाते हैं और बिना किसी घर्षण के फिसलते हुए चलते हैं, जिससे बिजली पूरी दक्षता के साथ प्रवाहित होती है। यह भौतिकी का एक 'होली ग्रेल' (अत्यंत मूल्यवान लक्ष्य) है क्योंकि इससे बिना किसी ऊर्जा हानि वाले पावर ग्रिड, अविश्वसनीय रूप से तेज़ कंप्यूटर और ट्रेनों को हवा में तैराने वाले शक्तिशाली चुंबक बनाए जा सकते हैं।

हालाँकि, इसमें एक पेंच है। आमतौर पर, इस सुपर-हाइवे के काम करने के लिए, सड़क का पूरी तरह से चिकना और एकसमान होना आवश्यक है। यदि सामग्री अस्त-व्यस्त है, जिसमें दरारें हैं, या जिसमें अन्य चीजें मिली हुई हैं (विकार/disorder), तो इलेक्ट्रॉन की टीम बिखर जाती है और सुपर-हाइवे ढह जाता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से यह सोचा है: क्या एक अराजक, उलझी हुई भीड़ के बावजूद एक सुपर-हाइवे बनाना संभव है? विशेष रूप से, क्या एक ऐसी सामग्री जो चट्टानों के ढेर जैसी दिखती है, फिर भी बिजली का पूर्ण संचालन कर सकती है यदि वे चट्टानें एक बहुत ही विशिष्ट, जटिल पैटर्न में व्यवस्थित हों? यह शोध पत्र उसी सटीक प्रश्न की गहराई में जाता है, यह पता लगाता है कि कैसे दो अलग-अलग सामग्रियों का एक अस्त-व्यस्त मिश्रण किसी तरह एक एकल, पूर्ण सुपरकंडक्टर की तरह कार्य कर सकता है।

फ्रैक्टल सुपर-वेब की कहानी

इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो सुनने में रसोई के किसी असफल प्रयोग जैसी लगती है, लेकिन वास्तव में यह भौतिकी का एक चमत्कार साबित हुई। उन्होंने मैग्नीशियम ऑक्साइड (MgO) को मिलाया, जो आमतौर पर एक इंसुलेटर (एक ऐसी सामग्री जो बिजली को रोकती है) है, मैग्नीशियम डिबोराइड (MgB2) के साथ, जो एक ज्ञात सुपरकंडक्टर है। उन्होंने उन्हें केवल बेतरतीब ढंग से नहीं मिलाया; उन्होंने उच्च दबाव और गर्मी के तहत उन्हें एक ठोस ब्लॉक बनाने के लिए एक साथ पकाया। परिणाम एक "नैनोकम्पोजिट" था जहाँ सुपरकंडक्टिंग MgB2 केवल लगभग 30% आयतन (volume) का हिस्सा था, जबकि इंसुलेटिंग MgO बाकी हिस्सा था।

सामान्य तौर पर, यदि आपके पास 70% इंसुलेटर के साथ एक सुपरकंडक्टर मिश्रित है, तो आप उम्मीद करेंगे कि बिजली फंस जाएगी। सुपरकंडक्टिंग भाग गैर-संचालक पानी के समुद्र में अलग-थलग द्वीपों की तरह होंगे। लेकिन यह सामग्री द्वीपों के समूह की तरह व्यवहार नहीं करती थी। इसके बजाय, यह एक एकल, विशाल, ठोस सुपरकंडक्टर ब्लॉक की तरह व्यवहार करती थी। इलेक्ट्रॉन बिना किसी प्रतिरोध के पूरी 30% सामग्री के माध्यम से बहने में सफल रहे, भले ही वे "मृत" क्षेत्रों से घिरे हुए थे।

गुप्त नुस्खा: एक फ्रैक्टल वेब (Fractal Web)
उन्होंने यह कैसे किया? लेखकों ने एक विशेष 3D कैमरे (जिसे FIB-SEM कहा जाता है) का उपयोग करके ब्लॉक के अंदर के हिस्से की परत-दर-परत तस्वीरें लीं, और फिर कंप्यूटर में पूरे ढांचे का पुनर्निर्माण किया। उन्होंने पाया कि MgB2 केवल बिखरा हुआ नहीं था। इसने एक जटिल, उलझा हुआ जाल बनाया जो हर दिशा में फैला हुआ था, और इसे आप जिस भी तरह से काटें, यह एक जैसा ही दिखता था। इस आकार को "फ्रैक्टल" (fractal) कहा जाता है।

एक फ्रैक्टल को ब्रोकली के फूल या बिजली की कौंध की तरह समझें। यदि आप ब्रोकली के एक टुकड़े को ज़ूम करके देखते हैं, तो वह पूरे फूल जैसा ही दिखता है। इस सामग्री में, सुपरकंडक्टिंग पथ एक स्व-समान (self-similar) पैटर्न में मुड़ते और घूमते हैं जिसका एक विशिष्ट गणितीय "फ्रैक्टल आयाम" लगभग 1.67 है। यह आकार महत्वपूर्ण है क्योंकि यह अराजकता के बीच एक निरंतर, घुमावदार पथ बनाता है, जिससे सुपरकंडक्टिंग "ट्रैफिक" को इंसुलेटिंग समुद्र के बीच से निकलने का रास्ता मिल जाता है।

ब्रह्मांड का सबसे स्वच्छ हैंडशेक
लेकिन यदि द्वीपों के बीच के पुल टूटे हुए हों, तो केवल एक घुमावदार पथ पर्याप्त नहीं है। वैज्ञानिकों ने फिर सामग्री को एक अत्यंत शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (STEM) के नीचे देखा ताकि वे उन सीमाओं को देख सकें जहाँ MgO और MgB2 आपस में मिलते हैं। उन्होंने कुछ अद्भुत पाया: इंटरफेस (सीमाएँ) "परमाणु रूप से स्वच्छ" (atomically clean) थीं।

दो पहेली के टुकड़ों (puzzle pieces) के आपस में फिट होने की कल्पना करें। आमतौर पर, जब आप विभिन्न सामग्रियों को मिलाते हैं, तो किनारे अस्त-व्यस्त हो जाते हैं, जो धूल या गोंद (अमोर्फस सामग्री) की एक परत से ढके होते हैं जो कनेक्शन को बाधित करती है। यहाँ, किनारे पूरी तरह से तीखे और साफ थे, जहाँ एक सामग्री के परमाणु दूसरी सामग्री के परमाणुओं के साथ लगभग पूरी तरह से संरेखित थे। कुछ सीमाएँ दर्पण की तरह सपाट थीं, जबकि अन्य में सीढ़ियों की तरह छोटे "टेरेस" और "स्टेप्स" थे। चूंकि बीच में कोई मैला गोंद नहीं था, इसलिए इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टिंग भाग से इंसुलेटिंग भाग में और फिर वापस आ सकते थे बिना अटके। इसे "प्रॉक्सिमिटी इफेक्ट" (proximity effect) कहा जाता है, जहाँ सुपरकंडक्टिंग शक्ति सामान्य सामग्री में रिसती है।

ऑक्सीजन के अदृश्य राजमार्ग
यहाँ सबसे हैरान करने वाला हिस्सा है। MgO वाला हिस्सा एक इंसुलेटर होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि इसमें करंट ले जाने के लिए कोई इलेक्ट्रॉन नहीं हैं। तो, इलेक्ट्रॉन MgO के खंडों के माध्यम से एक MgB2 द्वीप से दूसरे तक कैसे पहुँचे?

टीम ने कैथोडोलुमिनेंस (CL) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो सामग्री की तस्वीर लेने जैसा है जब वह एक विशेष प्रकाश के नीचे चमकती है। उन्होंने पाया कि MgO पूर्ण नहीं था; यह "ऑक्सीजन रिक्तियों" (oxygen vacancies) से भरा हुआ था। एक ईंट की दीवार की कल्पना करें जहाँ कुछ ईंटें गायब हैं। ये गायब स्थान (रिक्तियाँ) मील के पत्थरों (stepping stones) के रूप में कार्य करते हैं। वैज्ञानिकों ने पाया कि ये गायब ऑक्सीजन स्थान बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए नहीं थे; वे सुपरकंडक्टिंग MgB2 के ठीक बगल में लंबी, घुमावदार नहरें बनाते थे।

ये नहरें अदृश्य राजमार्गों के रूप में कार्य करती हैं। इलेक्ट्रॉन "कोहेरेंट टनलिंग" (coherent tunneling) नामक एक क्वांटम ट्रिक का उपयोग करके इन गायब ऑक्सीजन स्थानों के सहारे आगे बढ़ सकते हैं। यह ऐसा है जैसे इलेक्ट्रॉन गायब ईंटों की लहर पर सर्फिंग कर रहे हों, जिससे उन्हें इंसुलेटर के माध्यम से लंबी दूरी तय करने की अनुमति मिलती है। यह "सुपर" शक्ति को एक MgB2 द्वीप से दूसरे तक फैलने की अनुमति देता है, जिससे पूरा वेब आपस में जुड़ जाता है।

निर्णय: एक वैश्विक टीमवर्क
शोधकर्ताओं ने इस सामग्री का चुंबकों और बिजली के साथ परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि लगभग 38.5 केल्विन (जो बहुत ठंडा है, लगभग -235°C) के तापमान से नीचे, सामग्री एक पूर्ण सुपरकंडक्टर बन गई। यह केवल छोटे-छोटे सुपरकंडक्टिंग द्वीपों के समूह की तरह व्यवहार नहीं करती थी; यह एक विशाल, ठोस ब्लॉक की तरह व्यवहार करती थी। चुंबकीय क्षेत्रों को पूरी तरह से रोका गया, और बिजली बिना किसी प्रतिरोध के प्रवाहित हुई।

पेपर सुझाव देता है कि यह "पदानुक्रमित क्वांटम हस्तक्षेप" (hierarchical quantum interference) के कारण होता है। यह कहने का एक तकनीकी तरीका है कि इलेक्ट्रॉन, सुपरकंडक्टिंग द्वीपों और इंसुलेटिंग चैनलों के बीच आगे-पीछे उछलते हुए, सभी का समय (timing) पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ हो जाता है। फ्रैक्टल आकार, स्वच्छ परमाणु सीमाएं और ऑक्सीजन-वैकेंसी हाईवे, ये सभी मिलकर एक वैश्विक "फेज कोहेरेंस" (phase coherence) बनाने के लिए मिलकर काम करते हैं। इसका अर्थ यह है कि इलेक्ट्रॉन पूरे नमूने में एक ही ताल पर नाच रहे हैं, भले ही सामग्री चट्टानों के ढेर जैसी दिखती हो।

इसका अर्थ क्या है (और क्या नहीं है)
लेखक बहुत सावधानी से कहते हैं कि उन्होंने यह दिखाया है कि यह घटना मौजूद है और यह सुझाव दिया है कि ऑक्सीजन रिक्तियां और फ्रैक्टल आकार इसके कारण हैं। उन्होंने अभी तक नया पावर ग्रिड नहीं बनाया है, न ही उन्होंने सभी सुपरकंडक्टर्स के रहस्य को सुलझा लिया है। हालाँकि, उन्होंने यह सिद्ध कर दिया है कि एक पूर्ण सुपरकंडक्टर प्राप्त करने के लिए आपको एक आदर्श क्रिस्टल की आवश्यकता नहीं है। आप एक अत्यधिक विकृत, अस्त-व्यस्त सामग्री रख सकते हैं, और यदि उस विकार का सही आकार (फ्रैक्टल) और सही परमाणु संबंध (स्वच्छ इंटरफेस और रिक्ति चैनल) है, तो यह अभी भी वैश्विक सुपरकंडक्टिविटी प्राप्त कर सकती है।

यह खोज यह पता लगाने जैसा है कि लोगों की एक अराजक भीड़ भी एक विशिष्ट, घुमावदार पैटर्न में व्यवस्थित होकर और एक विशिष्ट तरीके से हाथ पकड़कर, अभी भी एक ही ताल में मार्च कर सकती है। यह ऐसी नई सामग्रियाँ डिजाइन करने का द्वार खोलता है जो नाजुक और पूर्ण होने के बजाय मजबूत और लचीली हों, जिससे वास्तविक दुनिया में सुपरकंडक्टिविटी की शक्ति का उपयोग करने के नए तरीके विकसित हो सकते हैं।