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Giant Domain Walls and Intrinsic Heterogeneity in 214 Cuprate Superconductors

स्कैनिंग थ्री-डायमेंशनल एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि बल्क La $_{1.675}$ Eu $_{0.2}$ Sr $_{0.125}$ CuO $_{4}$ क्यूप्रेट सुपरकंडक्टर्स विस्तृत टेट्रागोनल-जैसे डोमेन वॉल्स और सूक्ष्म ऑर्थोरोम्बिक-जैसे स्ट्राइप्स की एक जटिल सूक्ष्म संरचना रखते हैं, जो इन सामग्रियों में संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक विषमता की समझ को मौलिक रूप से नया आकार देते हैं।

मूल लेखक: Evie Ladbrook, Mark S. Senn, Jon Wright

प्रकाशित 2026-07-17

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Evie Ladbrook, Mark S. Senn, Jon Wright

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप बर्फ के एक टुकड़े को देख रहे हैं। नग्न आंखों से देखने पर, यह बर्फ के पानी की एक एकल, ठोस, एकसमान शीट जैसा दिखता है। लेकिन यदि आप एक परमाणु के आकार तक सिकुड़ सकें, तो आप देखेंगे कि बर्फ केवल एक बड़ा ब्लॉक नहीं है; यह छोटे क्रिस्टल का एक मोज़ेक है, जिनमें से प्रत्येक अपने पड़ोसियों की तुलना में थोड़ा घुमा हुआ या स्थानांतरित है। वे सीमाएँ जहाँ ये क्रिस्टल मिलते हैं, उन्हें "डोमेन वॉल" (domain walls) कहा जाता है। कई सामग्रियों में, ये दीवारें केवल पतली, अव्यवस्थित रेखाएं होती हैं जहाँ संरचना थोड़ी उलझ जाती है। हालांकि, सुपरकंडक्टर्स (superconductors) नामक सामग्रियों के एक विशेष वर्ग में (जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन कर सकते हैं), ये दीवारें कुछ बहुत अधिक दिलचस्प काम कर सकती हैं। वे इन गुप्त गुणों को धारण कर सकती हैं जो बाकी सामग्री में नहीं हैं, और बिजली या चुंबकत्व के लिए छिपे हुए राजमार्गों की तरह कार्य कर सकती हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से संदेह करते रहे हैं कि ये सूक्ष्म आंतरिक संरचनाएं ही इस बात की कुंजी हैं कि क्यों कुछ सामग्रियां सुपरकंडक्टर बन जाती हैं और अन्य नहीं, लेकिन बिना उसे काटे किसी ठोस टुकड़े के अंदर इन्हें देखना पेड़ों पर पत्तियों को देखकर जंगल के अंदर का नक्शा बनाने जैसा था।

यह शोध पत्र इसी समस्या को एक सुपर-पावर्ड एक्स-रे कैमरे का उपयोग करके हल करता है, जो एक विशिष्ट प्रकार के सुपरकंडक्टर जिसे "214 क्यूप्रेट" (214 cuprate) कहा जाता है, के भीतर गहराई से देखता है। शोधकर्ता इन सामग्रियों की अदृश्य वास्तुकला की तलाश में थे: कि परमाणु 3D स्थान में खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं और ठंडा होने पर वे कैसे बदलते हैं। वे जानना चाहते थे कि क्या सामग्री एक समान ब्लॉक है या विभिन्न संरचनात्मक "पड़ोसों" का एक जटिल पैचवर्क है। इन पड़ोसों का मानचित्रण करके, वे यह समझना चाहते थे कि सामग्री की आंतरिक संरचना कैसे उसकी सुपरकंडक्टिविटी की क्षमता में मदद कर रही है या बाधा डाल रही है, जो एक ऐसा गुण है जो पावर ग्रिड से लेकर मैग्लेव ट्रेनों तक में क्रांति ला सकता है।

शोध पत्र की कहानी: विशाल दीवारें और छिपी हुई धारियाँ

वैज्ञानिकों ने La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4 (या संक्षेप में LESCO) नामक एक विशिष्ट सुपरकंडक्टर का अध्ययन किया। इस सामग्री को तांबे और ऑक्सीजन परमाणुओं से बनी एक परतदार केक की तरह समझें। कमरे के तापमान पर, इस केक का आकार थोड़ा दबा हुआ (जिसे ऑर्थोरोम्बिक कहा जाता है) होता है। जैसे-जैसे यह ठंडा होता है, यह अधिक वर्गाकार (टेट्रागोनल) बनने के लिए अपना आकार बदलने की कोशिश करता है, लेकिन यह इसे एक साथ नहीं करता है। इसके बजाय, यह इन दोनों आकारों के बीच एक खींचतान में फंस जाता है।

स्कैनिंग थ्री-डायमेंशनल एक्स-रे डिफ्रैक्शन (3DXRD) नामक तकनीक का उपयोग करते हुए, टीम ने सामग्री के 'बल्क' (bulk) के माध्यम से एक "स्लाइस" लिया, और 300 K से 100 K तक इसकी आंतरिक संरचना का एक 3D मानचित्र बनाया। उन्हें जो मिला वह एक आश्चर्य था। उन्होंने केवल उन पतली, तीक्ष्ण रेखाओं को नहीं देखा जहाँ आकृतियाँ बदलती हैं। इसके बजाय, उन्होंने "विशाल" डोमेन वॉल्स (giant domain walls) की खोज की।

एक ऐसे शहर की कल्पना करें जहाँ इमारतें ईंटों से बनी हैं। आमतौर पर, यदि दो पड़ोसों के बीच अलग-अलग ईंट पैटर्न हैं, तो उनके बीच की सीमा एक पतली, एक-ईंट चौड़ी बाड़ होती है। लेकिन इस सामग्री में, वह "बाड़" वास्तव में एक विशाल, चौड़ा बुलेवार्ड (boulevard) है, जो लगभग 150 नैनोमीटर मोटा है। इन चौड़े बुलेवर्ड्स के भीतर, सामग्री एक बिखरी हुई सीमा की तरह नहीं दिखती; यह मुख्य शहर (ऑर्थोरोम्बिक) के ठीक अंदर स्थित एक पूरी तरह से अलग, स्थिर पड़ोस (टेट्रागोनल-जैसा) की तरह दिखती है। ये केवल मामूली दोष नहीं हैं; ये विशाल, सुसंगत क्षेत्र हैं जो माइक्रोमीटर तक फैले हुए हैं। लेखक सुझाव देते हैं कि ये चौड़ी दीवारें इसलिए मौजूद हैं क्योंकि परमाणु अचानक झटके के बजाय धीरे-धीरे अपनी स्थिति घुमाना पसंद करते हैं, क्योंकि अचानक बदलाव करने में बहुत अधिक ऊर्जा खर्च होती है। यह स्टीयरिंग व्हील को झटके से घुमाने के बजाय धीरे-धीरे घुमाने जैसा है।

जैसे-जैसे सामग्री और अधिक ठंडी होकर 100 K तक पहुँची, कहानी और भी जटिल हो गई। मुख्य "शहर" ज्यादातर वर्गाकार (टेट्रागोनल) आकार में बदल चुका था, लेकिन अब, पुराने दबे हुए आकार (ऑर्थोरोम्बिक) की छोटी, महीन धारियाँ नए वर्गाकार मैट्रिक्स के भीतर दिखाई देने लगीं। ये धारियाँ केवल 100 से 200 नैनोमीटर चौड़ी थीं, जो एक नाजुक पैटर्न की तरह दोहराई जा रही थीं। शोधकर्ताओं का मानना है कि ये यादृच्छिक गलतियाँ या अशुद्धियाँ नहीं हैं; वे सामग्री की एक मजबूत, अंतर्निहित विशेषता हैं, जो संभवतः विभिन्न परमाणु परतों के बीच तनाव को कम करने के लिए बनी हैं।

यह क्यों मायने रखता है? शोध पत्र सुझाव देता है कि ये संरचनात्मक पैटर्न इस बात से गहराई से जुड़े हुए हैं कि सामग्री में बिजली और चुंबकत्व कैसे व्यवहार करते हैं। इन क्यूप्रेट्स में, सुपरकंडक्टिविटी (शून्य-प्रतिरोध बिजली) और "चार्ज डेंसिटी वेव" (इलेक्ट्रॉनों का एक स्थिर पैटर्न) के बीच एक निरंतर प्रतिस्पर्धा रहती है। लेखक प्रस्ताव देते हैं कि ये विशाल डोमेन वॉल्स और महीन धारियाँ वह मंच हो सकती हैं जहाँ यह प्रतिस्पर्धा खेलती है। चौड़ी दीवारें विशिष्ट पथों में सुपरकंडक्टिविटी को बहने की अनुमति दे सकती हैं, जबकि महीन धारियाँ उन इलेक्ट्रॉन पैटर्न को बाधित कर सकती हैं जो सुपरकंडक्टिविटी को रोकते हैं।

लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि हालांकि उन्होंने अविश्वसनीय विवरण के साथ संरचना का मानचित्रण किया है, लेकिन उन्होंने अभी तक इन विशिष्ट दीवारों के भीतर इलेक्ट्रॉनों का सीधा मानचित्रण नहीं किया है। वे सुझाव देते हैं कि उनके निष्कर्ष यह समझने के लिए एक नया ढांचा प्रदान करते हैं कि इन सामग्रियों में सुपरकंडक्टिविटी को कभी-कभी क्यों दबा दिया जाता है। वे तर्क देते हैं कि सामग्री के एक समान ब्लॉक होने का पुराना विचार गलत होने की संभावना है। इसके बजाय, सामग्री संरचनात्मक विविधताओं का एक जटिल, जीवंत परिदृश्य है।

यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि ये संरचनाएं केवल सतह के प्रभाव या रासायनिक अशुद्धियाँ हैं। उन्होंने जो पैटर्न देखे वे सुसंगत, नियमित और नमूने के गहराई में मौजूद थे, जो यह सिद्ध करते हैं कि वे इस सामग्री के काम करने का एक मौलिक हिस्सा हैं। वे यह भी सुझाव देते हैं कि यह "विशाल दीवार" (giant wall) घटना केवल इस एक सामग्री तक सीमित नहीं है, बल्कि उन पूरे सुपरकंडक्टर्स के परिवार के लिए एक सामान्य नियम हो सकती है जिनकी परमाणु वास्तुकला समान है।

संक्षेप में, यह कार्य केवल हमें किसी सामग्री की तस्वीर नहीं दिखाता है; यह उस सामग्री को देखने के हमारे नजरिए को बदल देता है। यह सुझाव देता है कि विभिन्न संरचनात्मक चरणों के बीच की "अव्यवस्थित" सीमाएँ केवल शोर नहीं हैं—वे विशाल, कार्यात्मक विशेषताएं हैं जो बेहतर सुपरकंडक्टर्स की कुंजी खोलने में मदद कर सकती हैं। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि इन सामग्रियों को वास्तव में समझने के लिए, हमें उन्हें एक समान ब्लॉक के रूप में देखना बंद करना होगा और उस जटिल, 3D पैचवर्क की सराहना करना शुरू करना होगा जो उन्हें संचालित करता है।

तकनीकी सारांश: विशाल डोमेन दीवारें और 214 क्यूप्रेट सुपरकंडक्टर्स में अंतर्निहित विषमता

समस्या विवरण
कार्यात्मक सामग्रियों, विशेष रूप से फेरोइलास्टिक (ferroelastic) और मार्टेंसिटिक (martensitic) प्रणालियों में संरचनात्मक चरण संक्रमण (structural phase transitions), जटिल सूक्ष्म संरचनाएं (microstructures) उत्पन्न करते हैं जो सामग्री की कार्यक्षमता को नियंत्रित करती हैं। हालांकि, इन बल्क सूक्ष्म संरचनाओं के त्रि-आयामी संगठन को सीधे हल करना एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है। जबकि इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और स्कैनिंग प्रोब तकनीकें उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्रदान करती हैं, वे आम तौर पर सतहों या पतले नमूनों तक ही सीमित होती हैं। इसके विपरीत, बल्क प्रोब स्थानिक सहसंबंधों (spatial correlations) पर औसत निकाल लेते हैं, जिससे यह पता नहीं चल पाता कि स्थानीय संरचनात्मक विरूपण कैसे विस्तारित 3D सूक्ष्म संरचनाओं में संगठित होते हैं। यह सीमा सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन सामग्रियों जैसे उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिंग क्यूपरेट्स के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जहाँ स्ट्रेन (strain), चार्ज और स्पिन डिग्री ऑफ फ्रीडम के बीच मजबूत जुड़ाव स्थानीय संरचनात्मक विविधताओं के प्रभावों को बढ़ा देता है। 214 क्यूप्रेट परिवार में, विशेष रूप से 1/8-डोपेड यौगिक $\text{La}_{1.675}\text{Eu}_{0.2}\text{Sr}_{0.125}\text{CuO}_4$ (LESCO) में, संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक विषमता स्थापित है, फिर भी इन विरूपणों का बल्क 3D संगठन अनसुलझा है। प्रचलित सिद्धांत अक्सर यह मान लेते हैं कि एक सजातीय संरचनात्मक अवस्था सुपरकंडक्टिंग और चार्ज डेंसिटी वेव (CDW) ऑर्डर का आधार बनती है, जो संभावित रूप से अंतर्निहित सूक्ष्म संरचनात्मक विषमता की भूमिका को अनदेखा कर सकती है।

कार्यप्रणाली
बल्क 3D विज़ुअलाइज़ेशन की कमी को दूर करने के लिए, लेखकों ने यूरोपीय सिनक्रोट्रॉन रेडिएशन फैसिलिटी (ESRF) के ID11 बीमलाइन पर स्कैनिंग थ्री-डायमेंशनल एक्स-रे डिफ्रेक्शन (3DXRD) का उपयोग किया। यह तकनीक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) जैसी सतह-संवेदनशील तकनीकों के विपरीत, नमूने के बल्क के भीतर संरचनात्मक डोमेन के स्थानिक रूप से रिज़ॉल किए गए लक्षण वर्णन की अनुमति देती है।

कार्यप्रणाली में शामिल था:

डेटा संग्रह: 300 K से 100 K तक एक बल्क LESCO क्रिस्टल का स्कैनिंग। पूर्ण डिफ्रेक्शन सिग्नल एकत्र किया गया, जिसे 5.35 × 5.35 × 13.2 Å के यूनिट सेल पर इंडेक्स किया गया।
टोमोग्राफिक पुनर्निर्माण (Tomographic Reconstruction): प्रत्येक प्रतिबिंब (reflection) के स्थान को स्कैटरिंग कोण ( $2\theta$ ), अज़ीमुथल कोण ( $\eta$ ), रोटेशन कोण ( $\omega$ ), और नमूना अनुवाद ( $y$ ) द्वारा लक्षणबद्ध किया गया। इसने क्रिस्टल स्लाइस के टोमोग्राफिक पुनर्निर्माण की अनुमति दी।
डोमेन विभेदन:
- ट्विन डोमेन (Twin Domains): 300 K पर, व्यवस्थित अनुपस्थिति स्थितियों (A- बनाम B-केंद्रित जाली) का उपयोग करके लो-टेम्परेचर ऑर्थोरोम्बिक (LTO) ट्विन डोमेन को अलग किया गया।
- चरण संक्रमण (Phase Transitions): कम तापमान पर LTO से लो-टेम्परेचर टेट्रागोनल (LTT) चरण को अलग करने के लिए, जहाँ व्यवस्थित अनुपस्थिति कम स्पष्ट होती है, लेखकों ने फेरोइलास्टिक स्ट्रेन ( $\Gamma^+_4$ ) का एक द्वितीयक ऑर्डर पैरामीटर के रूप में उपयोग किया। यह स्ट्रेन मोड ऑक्टाहेड्रल टिल्टिंग ऑर्डर पैरामीटर ( $X^+_3$ ) के प्रॉक्सी के रूप में कार्य करता है।
विश्लेषण: स्थानिक विविधताओं को मैप करने के लिए सिमेट्री-एडेप्टेड स्ट्रेन मोड्स को डीकंपोज किया गया। अध्ययन ने स्ट्रेन पुनर्निर्माण पर ध्यान केंद्रित किया क्योंकि इसका रिज़ॉल्यूशन तीव्रता-आधारित व्यवस्थित अनुपस्थिति मानचित्रों की तुलना में बेहतर ( $10^{-4}$ ) है।

मुख्य परिणाम
अध्ययन LESCO में एक जटिल, तापमान-निर्भर सूक्ष्म संरचना को प्रकट करता है जो डोमेन दीवारों और चरण सह-अस्तित्व (phase coexistence) के पारंपरिक विचारों को चुनौती देता है:

300 K पर विशाल डोमेन दीवारें: नामांकित ऑर्थोरोम्बिक (LTO) चरण के भीतर, लेखकों ने उल्लेखनीय रूप से चौड़ी, टेट्रागोनल जैसी डोमेन दीवार वाले क्षेत्रों की पहचान की। ये परमाणु-स्तर के दोष नहीं हैं बल्कि लगभग 150 nm मोटे विस्तारित क्षेत्र हैं, जो 0.5 – 2 µm द्वारा अलग किए गए हैं। ये दीवारें लगभग शून्य स्ट्रेन प्रदर्शित करती हैं और LTO मैट्रिक्स के भीतर विस्तारित LTT-जैसे क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करती हैं। इन दीवारों के पार संक्रमण ऑक्टाहेड्रल टिल्ट का एक सुचारू रोटेशन (जैसे, $X^+_3(a;0) \to X^+_3(a;a) \to X^+_3(0;a)$ ) है, जो संभवतः एक $Pccn$ सिमेट्री सबग्रुप से होकर गुजरता है, न कि एक अचानक इंटरफेस से।
ठंडा होने पर सूक्ष्म संरचना का विकास: जैसे-जैसे नमूना 300 K से 140 K तक ठंडा होता है, बढ़ते फेरोइलास्टिक स्ट्रेन को समायोजित करने के लिए A-केंद्रित LTO डोमेन धीरे-धीरे हावी हो जाते हैं, जिससे $\Gamma^+_4$ स्ट्रेन का एक असममित वितरण होता है।
100 K पर सूक्ष्म विषमता: 100 K (CDW चरण के भीतर) तक ठंडा होने पर, सूक्ष्म संरचना टेट्रागोनल (LTT) मैट्रिक्स के भीतर ऑर्थोरोम्बिक-जैसे स्ट्राइप्स (100 – 200 nm स्केल) के एक महीन पैटर्न में विकसित हो जाती है। इन्हें LTO चरण के नैनोस्केल समावेशन (inclusions) के रूप में व्याख्यायित किया गया है। इन विशेषताओं की नियमितता और रासायनिक विषमता के साथ सहसंबंध का अभाव यह पुष्टि करता है कि वे एक अंतर्निहित संरचनात्मक विशेषता हैं।
स्ट्रेन बाधाएं (Strain Constraints): 100 K पर, केवल नकारात्मक $\Gamma^+_4$ मौजूद है, जो डोमेन अनुक्रमों को विशिष्ट रूपों (जैसे, $X^+_3(-a;a)|X^+_3(0;a)|X^+_3(a;a)$ ) तक सीमित करता है। ये LTO-जैसे समावेशन स्थानीय रूप से CDW-स्थिर करने वाले LTT टिल्ट पैटर्न को बाधित कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से CDW सहसंबंध लंबाई सीमित हो सकती है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि ये निष्कर्ष 3DXRD को बल्क सूक्ष्म संरचनाओं को हल करने और उभरती कार्यक्षमता को समझने के लिए एक शक्तिशाली दृष्टिकोण के रूप में स्थापित करते हैं। विशेष रूप से:

चरण सह-अस्तित्व की पुनर्व्याख्या: देखे गए "डोमेन वॉल" प्रभावी रूप से LTO मैट्रिक्स के भीतर विस्तारित LTT-जैसे क्षेत्र हैं (और कम तापमान पर इसके विपरीत)। उनकी पर्याप्त मोटाई LESCO और संबंधित क्यूपरेट्स में रिपोर्ट किए गए चरण सह-अस्तित्व के लिए एक प्राकृतिक स्पष्टीकरण प्रदान करती है, जो इन विस्तारित क्षेत्रों से कोहेरेंट स्कैटरिंग के कारण पारंपरिक XRD में अलग-अलग चरणों के रूप में दिखाई दे सकते हैं।
अंतर्निहित विषमता: अध्ययन यह तर्क देता है कि सूक्ष्म संरचनात्मक विषमता इन सामग्रियों की एक अंतर्निहित विशेषता है, न कि कोई आर्टिफैक्ट। यह विषमता संभवतः CDW ऑर्डर को सक्रिय रूप से आकार देती है और स्थानीयकृत या निम्न-आयामी सुपरकंडक्टिविटी के लिए फिलामेंटरी पथ प्रदान कर सकती है।
सामान्यीकरण: लेखक सुझाव देते हैं कि इन चौड़ी डोमेन दीवारों को चलाने वाला तंत्र क्लास (A) क्यूपरेट्स (जिसमें 214s, Bi-आधारित, और Tl-आधारित परिवार शामिल हैं) के लिए सामान्य है, जो एक ही मूल $I4/mmm $सिमेट्री साझा करते हैं और$ \Gamma^+_4$ स्ट्रेन से संरचनात्मक विरूपण को जोड़ते हैं। इन दीवारों की चौड़ाई का अनुमान सिमेट्री-ब्रेकिंग स्ट्रेन के परिमाण के साथ लगाया जा सकता है, जो क्यूप्रेट परिवार में भिन्न होता है।
पद्धतिगत प्रगति: यह कार्य प्रदर्शित करता है कि स्कैनिंग 3DXRD लगभग 70 nm तक के रिज़ॉल्यूशन के साथ बल्क सूक्ष्म संरचनात्मक विषमता को विज़ुअलाइज़ कर सकता है, जो पहले इन लंबाई के पैमानों के लिए अप्राप्य था। यह सतह-संवेदनशील प्रोब के लिए एक आवश्यक पूरक प्रदान करता है, जो सतह पर स्ट्रेन के मुक्त होने के कारण बल्क व्यवहार को प्रतिबिंबित नहीं कर सकते हैं।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि ये परिणाम सामग्री की संरचना के पुनर्मूल्यांकन की मांग करते हैं, यह सुझाव देते हुए कि व्यापक विषमताओं को केवल सरल इंटरफेस के रूप में नहीं, बल्कि संभावित रूप से कार्यात्मक घटकों के रूप में देखा जाना चाहिए जहाँ निरंतर और असतत संरचनात्मक विविधताओं के बीच का तालमेल मैक्रोस्कोपिक गुणों को नियंत्रित करता है। वे नोट करते हैं कि हालांकि कमजोर CDW रिफ्लेक्शन का प्रत्यक्ष टोमोग्राफिक मैपिंग वर्तमान 3DXRD क्षमताओं से परे है, स्थापित संरचनात्मक ढांचा सुपरकंडक्टिविटी और CDW ऑर्डर के बीच प्रतिस्पर्धा के भविष्य के अन्वेषणों के लिए एक आधार प्रदान करता है।

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