Link between thermodynamic correlation signatures and superconductivity in twisted trilayer graphene
ट्विस्टेड ट्रिलेयर ग्राफीन में स्थानीय ऊष्मागतिकी और परिवहन मापों को संयोजित करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि सुपरकंडक्टिविटी (अतिचालकता) सीधे सहसंबद्ध इंसुलेटर्स से जुड़ी नहीं है, बल्कि कंप्रेसिबिलिटी सॉ टूथ (compressibility sawtooth) विशेषताओं की मजबूती के साथ निकटता से सहसंबद्ध है, जो इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन और ट्विस्ट-एंगल-निर्भर बैंड संरचनाओं से जुड़े एक साझा मूल का सुझाव देती है।
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इलेक्ट्रॉनों की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें। अधिकांश सामग्रियों में, ये नन्हे नागरिक राजमार्ग पर यात्रियों की तरह स्वतंत्र रूप से इधर-उधर दौड़ते हैं। लेकिन कभी-कभी, वैज्ञानिक ग्राफीन (कार्बन का एक एकल परमाणु जितना पतला पदार्थ) की परतों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों के लिए एक विशेष प्रकार का "ट्रैफिक जाम" बना सकते हैं। इन परतों को बहुत विशिष्ट, सूक्ष्म कोणों पर घुमाकर, वे एक विशाल, दोहराव वाला पैटर्न बनाते हैं जिसे "मोइरे पैटर्न" (moiré pattern) कहा जाता है। यह पैटर्न एक पिंजरे की तरह काम करता है, जो इलेक्ट्रॉनों को एक छोटी जगह में कैद कर देता है जहाँ वे आसानी से हिल नहीं पाते। जब इलेक्ट्रॉन इन तंग जगहों में दब जाते हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ तीव्रता से अंतःक्रिया (interact) करने लगते हैं, जैसे कि एक भीड़भाड़ वाला डांस फ्लोर जहाँ हर कोई एक-दूसरे से टकरा रहा हो। यह तीव्र अंतःक्रिया इलेक्ट्रॉनों को अजीब नई अवस्थाओं में संगठित होने के लिए मजबूर कर सकती है: कभी-कभी वे पूरी तरह से हिलना बंद कर देते हैं और एक इंसुलेटर (एक सामग्री जो बिजली को रोकती है) बन जाते हैं, और अन्य समय में, वे आपस में जुड़ जाते हैं और बिना किसी प्रतिरोध के बहते हैं, जिससे वे एक सुपरकंडक्टर बन जाते हैं।
वर्षों से, वैज्ञानिक इस सुपरकंडक्टिविटी (अतिचालकता) के गुप्त नुस्खे को समझने की कोशिश कर रहे हैं। बड़ा सवाल यह रहा है: क्या सुपरकंडक्टिविटी इंसुलेटिंग अवस्था के कारण होती है, या वे केवल दो अलग चीजें हैं जो संयोग से एक ही पड़ोस में दिखाई देती हैं? यह पता लगाने जैसा है कि क्या आइसक्रीम की दुकान इसलिए लोकप्रिय है क्योंकि उसके बगल वाली लाइब्रेरी बंद है, या वह अपने स्वयं के कारणों से लोकप्रिय है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ही जमीन के टुकड़े को दो अलग-अलग जोड़ी आँखों से देखने की आवश्यकता है: एक जो यह मापता है कि इलेक्ट्रॉन कितने "लचीले" (squishy) हैं (ऊष्मागतिकी/thermodynamics) और दूसरा जो यह मापता है कि उनके माध्यम से बिजली कितनी अच्छी तरह बहती है (परिवहन/transport)।
इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने "ट्विस्टेड ट्राइलेयर ग्राफीन" के एक अनूठे संस्करण का उपयोग करके इस रहस्य की जांच करने का निर्णय लिया। केवल दो परतों के बजाय, उन्होंने तीन परतें इस्तेमाल कीं, जिन्हें दो अलग-अलग कोणों पर घुमाया गया था। उन्होंने पाया कि एक विशेष स्थान पर कोणों का तालमेल नहीं था (लगभग 1-से-3 का अनुपात), जिससे एक ऐसा परिदृश्य बना जहाँ नमूने के माध्यम से चलते समय इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार सुचारू रूप से बदलता है।
शोधकर्ताओं ने एक अत्यंत संवेदनशील उपकरण का उपयोग किया जिसे "स्कैनिंग सिंगल-इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर" कहा जाता है (इसे एक सूक्ष्म थर्मामीटर की तरह समझें जो इलेक्ट्रॉनों के "दबाव" को महसूस कर सकता है) ताकि इलेक्ट्रॉन परिदृश्य का मानचित्र बनाया जा सके। उन्होंने खोजा कि इस इलेक्ट्रॉन शहर में दो मुख्य चीजें हो रही हैं। पहला, कुछ बिंदुओं पर, इलेक्ट्रॉनों ने एक कठोर, इंसुलेटिंग दीवार बनाई जिसमें उनके ऊर्जा स्तरों में एक अंतर (gap) था। दूसरा, उन्होंने इलेक्ट्रॉनों के दबने के प्रति उनकी प्रतिक्रिया में एक "आरी के दांत" (sawtooth) जैसा पैटर्न देखा, जो मजबूत अंतःक्रियाओं और भारी और हल्के इलेक्ट्रॉन व्यवहारों के मिश्रण को दर्शाता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने पाया कि वे "जादुधिक कोण" (magic angles) जहाँ ये इंसुलेटिंग दीवारें बनी थीं, वे एक दिशा में चलने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए दूसरे की तुलना में अलग थे, और वे उन कोणों से भी अलग थे जहाँ "sawtooth" पैटर्न सबसे मजबूत था।
फिर, उन्होंने उसी स्थान के ठीक ऊपर एक छोटा विद्युत राजमार्ग (एक हॉल बार) बनाया। जब उन्होंने बिजली चालू की, तो उन्होंने मजबूत सुपरकंडक्टिविटी पाई—ऐसे क्षेत्र जहाँ बिजली शून्य प्रतिरोध के साथ बह रही थी। यहाँ एक बड़ा आश्चर्य था: सुपरकंडक्टिविटी को उन इंसुलेटिंग दीवारों की परवाह नहीं थी। कई स्थानों पर, इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टिंग थे भले ही पास में कोई इंसुलेटिंग गैप मौजूद नहीं था। यह सुझाव देता है कि इंसुलेटर और सुपरकंडक्टर सीधे जुड़े हुए नहीं हैं; एक दूसरे का कारण नहीं बनता है।
इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने सुपरकंडक्टिविटी और उस "sawtooth" पैटर्न के बीच बहुत गहरा संबंध पाया। इलेक्ट्रॉन दबाव में "sawtooth" दोलन (oscillation) जितना मजबूत था, सामग्री उतनी ही उच्च तापमान पर सुपरकंडक्टर बन गई। यह ऐसा है जैसे सुपरकंडक्टिविटी और "sawtooth" पैटर्न एक ही ताल पर नाच रहे हैं, जबकि इंसुलेटिंग दीवारें केवल किनारे से देख रही हैं। टीम का सुझाव है कि सुपरकंडक्टिविटी और "sawtooth" पैटर्न दोनों ही एक ही अंतर्निहित स्थितियों द्वारा संचालित होते हैं—शायद इस तरह से कि भारी और हल्के इलेक्ट्रॉन आपस में कैसे मिलते हैं—न कि एक दूसरे का कारण बनता है।
एक ही सामग्री के टुकड़े पर इन दो अलग-अलग माप तकनीकों को जोड़कर, टीम विभिन्न नमूनों की तुलना करने से होने वाले भ्रम को दूर करने में सक्षम रही। उन्होंने दिखाया कि जबकि इंसुलेटिंग अवस्थाएं नाजुक हैं और केवल विशिष्ट स्थानों पर दिखाई देती हैं, सुपरकंडक्टिविटी अधिक मजबूत है और "sawtooth" पैटर्न में देखी गई इलेक्ट्रॉन अंतःक्रियाओं की मजबूती से जुड़ी हुई है। यह कार्य इस पूरे रहस्य को हल नहीं करता कि इन सामग्रियों में सुपरकंडक्टिविटी कैसे काम करती है, लेकिन यह दृढ़ता से सुझाव देता है कि इंसुलेटिंग गैप खोजने के बजाय "sawtooth" सिग्नेचर को खोजना बेहतर सुपरकंडक्टर्स को खोजने की कुंजी हो सकती है।
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