Multiterminal Quasiballistic Josephson Effect in Monocrystalline Gold

बिजली की दुनिया में, अधिकांश सामग्रियां एक भीड़भाड़ वाले गलियारे की तरह व्यवहार करती हैं जहाँ लोग दीवारों और एक-दूसरे से टकराते हैं, जिससे उनकी प्रगति धीमी हो जाती है। साधारण धातुएं इसी तरह विद्युत धारा का संचालन करती हैं: एक अराजक, विसरित (diffusive) प्रवाह। हालाँकि, सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक) अलग होते हैं। इन विशेष सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाते हैं और पूर्ण सामंजस्य के साथ चलते हैं, एक ऐसी अवस्था जो उन्हें बिना किसी प्रतिरोध के बिजली ले जाने की अनुमति देती है। जब दो सुपरकंडक्टर्स को सामान्य धातु की एक पतली बाधा द्वारा अलग किया जाता है, तो एक अद्भुत घटना घटती है: सुपरकरंट उस अंतराल के पार "टनल" कर सकता है, जिससे दोनों पक्षों के बीच एक कड़ी बन जाती है। इसे जोसेफसन प्रभाव (Josephson effect) के रूप में जाना जाता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों ने सरल जोड़ों में इस प्रभाव का अध्ययन किया है, लेकिन अब एक नया क्षितिज खुल गया है। शोधकर्ता अब यह सवाल पूछ रहे हैं कि क्या होता है जब आप केवल दो ही नहीं, बल्कि कई सुपरकंडक्टिंग लीड्स को एक ही साझा धातु के टुकड़े से जोड़ते हैं। इस जटिल व्यवस्था में, किन्हीं दो बिंदुओं के बीच धारा का व्यवहार पूरे नेटवर्क पर निर्भर करता है, जिससे एक ऐसी प्रणाली बनती है जहाँ संपूर्ण इकाई अपने हिस्सों के योग से भी बड़ी होती है।

भौतिकविदों की एक टीम ने अब सोने (gold) के एक एकल क्रिस्टल का उपयोग करके इस जटिल विचार को जीवंत कर दिया है। उन्होंने एक सपाट, प्लेनर उपकरण बनाया जहाँ सोने का एक छोटा, उच्च-शुद्धता वाला टुकड़ा, जो केवल 80 नैनोमीटर मोटा है, आठ अलग-अलग एल्युमीनियम इलेक्ट्रोड्स के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करता है। सोने का यह क्रिस्टल विशेष है क्योंकि यह पदार्थ का एक पूर्ण, एकल हिस्सा है, जिससे इलेक्ट्रॉन बहुत कम टकरावों के साथ इसमें यात्रा कर सकते हैं। इसे "क्वासी-बैलिस्टिक" (quasi-ballistic) शासन कहा जाता है, एक ऐसी अवस्था जहाँ इलेक्ट्रॉन भीड़ में ठोकर खाने के बजाय प्रकाश की तरह लगभग स्वतंत्र रूप से चलते हैं। शोधकर्ताओं ने सोने के ऊपर एल्युमीनियम की लीड्स जमा कीं, जिससे कनेक्शनों का एक ग्रिड बन गया। फिर उन्होंने तापमान बदलकर और चुंबकीय क्षेत्र लागू करके यह मापा कि इन विभिन्न लीड्स के जोड़ों के बीच कितनी सुपरकरंट प्रवाहित हो सकती है।

परिणाम आश्चर्यजनक थे और उन मानक नियमों को चुनौती देते थे जो सरल प्रणालियों को नियंत्रित करते हैं। एक विशिष्ट सेटअप में, दो लीड्स के बीच की दूरी बढ़ने के साथ सुपरकरंट के पार जाने की क्षमता लगातार और अनुमानित रूप से घटती है। यहाँ, शोधकर्ताओं ने ऐसा कोई सरल पैटर्न नहीं पाया। उन्होंने 94 नैनोमीटर से लेकर एक माइक्रोन से अधिक तक की विभिन्न लंबाई वाले चार अलग-अलग जंक्शनों को मापा। दूरी के साथ करंट के कम होने के बजाय, मध्य के जंक्शनों ने छोर वाले जंक्शनों की तुलना में अधिक करंट प्रवाहित किया। यह गैर-मोनोटोनिक (non-monotonic) व्यवहार, जहाँ लंबे होने के बावजूद मध्य के लिंक बाहरी लोगों से अधिक मजबूत थे, यह सिद्ध करता कि जंक्शन स्वतंत्र रूप से कार्य नहीं कर रहे थे। किन्हीं दो विशिष्ट इलेक्ट्रोडों के बीच बहने वाली सुपरकरंट, अन्य सभी इलेक्ट्रोडों की उपस्थिति और चरण (phase) से प्रभावित हो रही थी। पूरा सोने का क्रिस्टल एक एकल, एकीकृत क्वांटम वस्तु के रूप में कार्य कर रहा था, जो प्रत्येक लीड को अन्य सभी लीड से एक साथ जोड़ रहा था।

यह पुष्टि करने के लिए कि यह केवल कोई संयोग या निर्माण त्रुटि नहीं थी, टीम ने एक महत्वपूर्ण नियंत्रण प्रयोग किया। उन्होंने साधारण, विक्षेपित (disordered) सोने का उपयोग करके समान उपकरण बनाए जहाँ इलेक्ट्रॉन अराजक, विसरित तरीके से चलते हैं। उन मानक नमूनों में, करंट बिल्कुल वैसा ही व्यवहार कर रहा था जैसा अपेक्षित था: यह सबसे छोटे जंक्शन में मजबूत था और लंबे जंक्शनों में पूरी तरह से गायब हो गया था। इस तीव्र अंतर ने पुष्टि की कि यह अजीब, परस्पर जुड़े हुए व्यवहार उच्च-गुणवत्ता वाले, क्वासी-बैलिस्टिक सोने के क्रिस्टल का एक अद्वितीय गुण था। शोधकर्ताओं ने देखे गए दृश्य की व्याख्या करने के लिए एक नया सैद्धांतिक मॉडल भी विकसित किया। उनके गणनाओं ने, जिन्होंने पतले सोने के क्रिस्टल की सतहों से इलेक्ट्रॉनों के जटिल परावर्तन (reflections) को ध्यान में रखा था, बिना किसी छिपे हुए चर (variable) को समायोजित किए प्रायोगिक डेटा से सटीक मेल खाया।

टीम ने डिवाइस में विभिन्न संयोजनों के माध्यम से करंट भेजकर इस मल्टीटर्मिनल व्यवहार का और अधिक अन्वेषण किया। उन्होंने पाया कि एक जंक्शन का प्रतिरोध पूरी तरह से अलग लीड्स के जोड़े से बहने वाली धारा के आधार पर बदल जाता है। यदि यह प्रणाली केवल तीन अलग-अलग कड़ियों की एक साधारण श्रृंखला होती, तो व्यवहार अनुमानित और रैखिक होता। इसके बजाय, मापों ने अंतःक्रियाओं के एक जटिल जाल को दिखाया जहाँ संपूर्ण प्रणाली की स्थिति बिजली के प्रवाह को निर्धारित करती थी। अंत में, उन्होंने चुंबकीय क्षेत्रों के साथ डिवाइस का परीक्षण किया। एक साधारण जंक्शन में, करंट आमतौर पर उस विशिष्ट अंतराल के आकार से संबंधित एक पैटर्न में दोलन (oscillate) करता है। इस सोने के क्रिस्टल में, दोलन उस बहुत बड़े क्षेत्र के अनुरूप थे जो सभी लीड्स द्वारा साझा किया गया था, न कि केवल दो के बीच के छोटे अंतराल के। इसने निर्णायक प्रमाण दिया कि चुंबकीय क्षेत्र पूरे नेटवर्क के कनेक्शनों को महसूस कर रहा था।

यह कार्य इस बात को स्थापित करता है कि मल्टी-टर्मिनल प्रणालियों में सुपरकंडक्टिविटी कैसे व्यवहार करती है। सोने के एक स्वच्छ, एकल क्रिस्टल का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा प्रयोगशाला बना दी है जहाँ कई सुपरकंडक्टिंग लीड्स के क्वांटम चरणों को एक साथ ट्यून और अध्ययन किया जा सकता है। यह सेटअप पदार्थ की विलक्षण अवस्थाओं, जैसे कि कृत्रिम टोपोलॉजिकल सामग्रियों (topological materials) के अध्ययन का द्वार खोलता है, जहाँ सुपरकंडक्टिंग चरणों की व्यवस्था उच्च आयामों में कणों के व्यवहार की नकल करती है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जब इलेक्ट्रॉनों को एक स्वच्छ वातावरण में स्वतंत्र रूप से चलने दिया जाता है, तो वे एक गहराई से परस्पर जुड़े क्वांटम नेटवर्क बना सकते हैं, जिससे धातु का एक साधारण टुकड़ा एक परिष्कृत सर्किट में बदल जाता है जहाँ प्रत्येक भाग दूसरे से अटूट रूप से जुड़ा होता है।