Resonant Photoluminescence of Quantum Incompressible Liquids
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि दो-आयामी इलेक्ट्रॉन प्रणालियों में अनुनादिक फोटोल्यूमिनेसेंस (resonant photoluminescence), 1/3 के फिलिंग फैक्टर से शुरू होने वाले इनकम्प्रेसिबल क्वांटम लिक्विड्स (incompressible quantum liquids) के निर्माण को प्रकट करता है, जो विकार स्क्रीनिंग (disorder screening) और इलेक्ट्रॉन तापमान के प्रति संवेदनशील एक ऑप्टिकल इनवेरिएंट (optical invariant) द्वारा अभिलक्षित है, जिसमें एक चरण आरेख (phase diagram) तापमान घटने के साथ विशिष्ट क्वांटम अवस्थाओं के बीच सुचारू संक्रमण को दर्शाता है।
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पदार्थ विज्ञान के क्षेत्र में गहराई में, पदार्थ की एक अजीब अवस्था मौजूद है जो ठोस या तरल की तरह कम और एक पूरी तरह से समन्वित भीड़ की तरह अधिक व्यवहार करती है। यह तब होता है जब इलेक्ट्रॉन एक सपाट, द्वि-आयामी शीट में फंसे होते हैं और परम शून्य तापमान के करीब तीव्र चुंबकीय क्षेत्रों के अधीन होते हैं। इन चरम स्थितियों के तहत, इलेक्ट्रॉन व्यक्तिगत कणों के रूप में कार्य करना बंद कर देते हैं और एक एकल, एकीकृत तरल के रूप में हिलना शुरू कर देते हैं। वैज्ञानिक इसे एक असंपीड्य क्वांटम तरल (incompressible quantum liquid) कहते हैं। क्योंकि इलेक्ट्रॉन इतने कसकर समन्वित होते हैं, वे उन्हें और करीब दबाने के किसी भी प्रयास का विरोध करते हैं, ठीक एक ठोस की तरह, फिर भी वे बिना घर्षण के बहते हैं। ये तरल कैसे बनते हैं और एक अवस्था से दूसरी अवस्था में कैसे बदलते हैं, इसे समझना कंप्यूटिंग के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि ये तरल उन विलक्षण कणों को धारण करते हैं जो एक दिन ऐसे कंप्यूटरों को शक्ति दे सकते हैं जो आज की मशीनों के लिए असंभव समस्याओं को हल करने में सक्षम होंगे। हालाँकि, इन तरल पदार्थों को अंदर से बनते हुए देखना कठिन रहा है, क्योंकि मापने के पारंपरिक तरीके केवल प्रणाली के किनारों को देखते हैं, जिससे तरल का हृदय एक रहस्य बना रहता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब 'रेजोनेंट फोटोल्यूमिनेसेंस' नामक तकनीक का उपयोग करके इस क्वांटम तरल के केंद्र में सीधे झाँका है। एक अर्धचालक (semiconductor) सामग्री की एक पतली परत पर एक बहुत ही विशिष्ट रंग की लेजर लाइट डालकर, वे 'एक्सिटोन' (excitons) नामक सूक्ष्म, अल्पकालिक कणों के जोड़े बनाने में सक्षम रहे। ये जोड़े एक इलेक्ट्रॉन और एक 'होल' (hole) से बने होते हैं, जहाँ इलेक्ट्रॉन को उच्च ऊर्जा अवस्था में उछाल दिया जाता है और निचली ऊर्जा अवस्था में एक रिक्त स्थान पीछे रह जाता है। जैसे ही ये जोड़े पुनर्संयोजित (recombine) होते हैं और प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, शोधकर्ताओं ने उस प्रकाश की तीव्रता और रंग को मापा ताकि यह देखा जा सके कि आसपास का इलेक्ट्रॉन तरल कैसे प्रतिक्रिया कर रहा है। उन्होंने पाया कि तरल की सबसे स्थिर, संगठित अवस्थाओं में, सामग्री की संरचना में होने वाले अराजक उतार-चढ़ाव—जिसे विकार (disorder) कहा जाता है—प्रकाश उत्सर्जक जोड़ों की दृष्टि से पूरी तरह से गायब हो जाते हैं। तरल एक आदर्श ढाल के रूप में कार्य करता है, जो उन खामियों को पूरी तरह से रोक देता है जो आमतौर पर ऐसे नाजुक क्वांटम आयोजनों को बाधित करती हैं।
शोधकर्ताओं ने विशेष रूप से एक प्रकार के क्वांटम तरल पर ध्यान केंद्रित किया जो तब बनता है जब इलेक्ट्रॉन घनत्व एक सटीक अंश तक पहुँच जाता है, जिसे एक-तिहाई (one-third) के रूप में जाना जाता है। उन्होंने देखा कि जैसे ही उन्होंने सामग्री को परम शून्य से केवल एक अंश ऊपर तक ठंडा किया, सिस्टम द्वारा उत्सर्जित प्रकाश बहुत ही निर्णायक तरीके से बदल गया। जब तरल अपनी सबसे संगठित अवस्था में था, तो नए बनाए गए कण जोड़ों से आने वाला प्रकाश साधारण, विश्राम करते इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अविश्वसनीय रूप से चमकीला हो गया। यह चमकता हुआ संकेत था कि कण जोड़े स्वतंत्र रूप से हिलने और पुनर्संयोजित होने में सक्षम थे, और उन्हें सामग्री के परमाणुओं की यादृच्छिक हलचल (jitters) से कोई बाधा नहीं पहुँच रही थी। वह विकार जो आमतौर पर संकेतों को बिखेरता और कमजोर करता है, उसे इलेक्ट्रॉन तरल के सामूहिक व्यवहार द्वारा पूरी तरह से ब्लॉक कर दिया गया था। यह पूर्ण स्क्रीनिंग प्रभाव एक स्पष्ट पहचान के रूप में कार्य करता है, जो यह सिद्ध करता है कि तरल ने पूर्ण व्यवस्था की अवस्था में प्रवेश किया है।
जैसे-जैसे टीम ने नमूने को ठंडा करना जारी रखा, उन्होंने देखा कि यह व्यवस्थित अवस्था कैसे विकसित होती है। उन्होंने पाया कि जहाँ यह पूर्ण व्यवस्था मौजूद थी, वह क्षेत्र एक-तिहाई के निशान पर अचानक समाप्त नहीं हुआ। इसके बजाय, जैसे-जैसे तापमान और गिरा, पूर्ण व्यवस्था का क्षेत्र धीरे-धीरे विस्तारित हुआ, और एक-दूसरे (one-half) के घनत्व की ओर निरंतर बढ़ता गया। यह खोज इस विचार को चुनौती देती है कि पदार्थ की ये विभिन्न अवस्थाएँ बर्फ और पानी की रेखा की तरह स्पष्ट, अलग सीमाओं द्वारा विभाजित होती हैं। शोधकर्ताओं को कोई कठोर किनारा नहीं मिला जहाँ तरल अचानक एक प्रकार की व्यवस्था से दूसरे प्रकार की व्यवस्था में बदल गया हो। इसके बजाय, संक्रमण सुचारू और क्रमिक था। यहाँ तक कि उन क्षेत्रों में भी जहाँ सामग्री ने बिजली संचालित करने की कुछ क्षमता दिखाई—जो एक संकेत है कि यह पूरी तरह से कुचालक नहीं था—तरल के स्थानीय हिस्से पूरी तरह से व्यवस्थित और असंपीड्य रहे।
इस बात का मानचित्र तैयार करने के लिए कि ये व्यवस्थित अवस्थाएँ वास्तव में कहाँ मौजूद हैं, वैज्ञानिकों ने एक 'फेज डायग्राम' (phase diagram) बनाया, जो एक चार्ट है कि तरल कब स्थिर रहता है। उन्होंने पाया कि वह तापमान जिस पर यह पूर्ण व्यवस्था टूट जाती है, सामग्री के विद्युत प्रतिरोध को मापने के पिछले अनुमानों की तुलना में काफी कम है। यह सुझाव देता है कि तरल अपने विशेष, व्यवस्थित स्वभाव को तब भी बनाए रख सकता है जब वह वैज्ञानिकों के अनुमान से थोड़ा गर्म हो, और तब भी जब वह पूरी तरह से कुचालक न हो। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि जबकि बल्क सामग्री बिजली का संचालन करती प्रतीत हो सकती है, तरल वास्तव में पूर्ण व्यवस्था के कई छोटे, सह-अस्तित्व वाले द्वीपों से बना है। क्वांटम तरल को देखने का यह नया तरीका, यानी प्रकाश का उपयोग करके विकार की अदृश्य ढाल को देखना, इन विलक्षण पदार्थ अवस्थाओं के बनने और बने रहने की एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है, जो क्वांटम भौतिकी के भविष्य के प्रयोगों के लिए एक अधिक सटीक मानचित्र प्रदान करता है।
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