Axionic tunneling from a topological Kondo insulator

द दशकों से, भौतिकविदों एक अजीब विचार से मंत्रमुग्ध रहे हैं: कि तारों के बीच का खाली स्थान, जिसे निर्वात (वैक्यूम) कहा जाता है, वास्तव में खाली नहीं हो सकता है बल्कि अदृश्य क्षेत्रों से भरा हो सकता है जो कणों के व्यवहार को नियंत्रित करते हैं। ठोस पदार्थों की दुनिया में, वैज्ञानिकों ने खोजा है कि कुछ क्रिस्टल निर्वात के इन विलक्षण गुणों की नकल कर सकते हैं, जिससे एक नया क्षेत्र निर्मित होता है जहाँ क्वांटम यांत्रिकी और सापेक्षता के नियम आपस में मिलते हुए प्रतीत होते हैं। इन सामग्रियों में, 'टोपोलॉजिकल इंसुलेटर' नामक एक वर्ग विशिष्ट स्थान रखता है। ये वे पदार्थ हैं जो अपने आंतरिक भाग में विद्युत के कुचालक (इंसुलेटर) के रूप में कार्य करते हैं, लेकिन अपनी सतह पर बिजली का संचालन सहजता से करते हैं। इस परिवार का एक विशेष रूप से दिलचस्प सदस्य समैरियम हेक्साबोराइड है, जिसने लंबे समय से शोधकर्ताओं को उलझन में डाला है क्योंकि इसकी सतह बिजली का संचालन इस तरह से करती है जो विद्युत और चुंबकीय बलों के बीच एक गहरे, छिपे हुए संबंध का संकेत देता है।

केंद्रीय रहस्य एक सैद्धांतिक अवधारणा के इर्द-गिर्द घूमता है जिसे 'एक्सियन' (axion) कहा जाता है। उच्च-ऊर्जा भौतिकी के क्षेत्र में, एक्सियन काल्पनिक कण हैं जो यह स्पष्ट कर सकते हैं कि ब्रह्मांड इस तरह से व्यवहार क्यों करता है। ठोस पदार्थों में, एक "एक्सियन-जैसा" प्रभाव भविष्यवाणी करता है कि यदि आप एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की सतह पर एक विद्युत क्षेत्र लागू करते हैं, तो इसे एक चुंबकीय प्रतिक्रिया उत्पन्न करनी चाहिए, और इसके विपरीत भी। यह बिजली और चुंबकत्व के बीच एक गहरा संबंध है जो चुंबकों के मानक व्यवहार से परे जाता है। हालांकि, इस प्रभाव का पता लगाना बेहद कठिन रहा है क्योंकि यह सूक्ष्म है और अन्य, अधिक सामान्य चुंबकीय संकेतों द्वारा आसानी से ढक लिया जाता है। प्रश्न यह था: क्या इस मायावी एक्सियन-जैसे व्यवहार को एक वास्तविक, मूर्त प्रयोग में देखा जा सकता था?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने 'स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी' नामक तकनीक का उपयोग करके इस घटना के लिए सम्मोहक प्रमाण प्रदान किए हैं। सामग्री को दूर से देखने के बजाय, उन्होंने एक अत्यंत तीखी सुई का उपयोग किया, जिसका सिरा समैरियम हेक्साबोराइड से बने एक सूक्ष्म तार से युक्त था, ताकि आयरन टेल्यूराइडड नामक एक चुंबकीय क्रिस्टल की सतह की जांच की जा सके। लक्ष्य यह देखना था कि जब वे इस सुई पर एक छोटा वोल्टेज लागू करते हैं तो वह कैसे प्रतिक्रिया करती है। एक मानक चुंबकीय प्रयोग में, कोई उम्मीद कर सकता है कि एक चुंबकीय टिप के चुंबकीय गुण वोल्टेज के सकारात्मक या नकारात्मक होने के बावजूद स्थिर रहेंगे। हालांकि, शोधकर्ताओं ने कुछ बहुत ही असामान्य देखा। जब उन्होंने वोल्टेज की दिशा को उलट दिया, तो टिप का चुंबकीय हस्ताक्षर बदल गया। एक मिलीवोल्ट के धनात्मक वोल्टेज ने एक विशिष्ट चुंबकीय अभिविन्यास बनाया, जबकि समान मात्रा के ऋणात्मक वोल्टेज ने ठीक विपरीत अभिविन्यास बनाया।

यह वोल्टेज-प्रेरित चुंबकत्व ही मुख्य खोज है। शोधकर्ताओं ने मापा कि लगभग 30 मिलीवोल्ट का एक छोटा सा वोल्टेज, टिप पर एक मापने योग्य चुंबकीय क्षण (मैग्नेटिक मोमेंट) उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त था, जो एक एकल इलेक्ट्रॉन की चुंबकीय शक्ति के लगभग 0.1 गुना के बराबर था। महत्वपूर्ण रूप से, यह चुंबकीय प्रभाव स्थिर नहीं था; यह सीधे विद्युत क्षेत्र द्वारा नियंत्रित था। टीम ने इस संभावना को खारिज कर दिया कि यह केवल टिप द्वारा सतह से बिखरे हुए चुंबकीय परमाणुओं को उठाने या सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में मानक परिवर्तन का परिणाम था। उन्होंने अपने परिणामों की तुलना क्रोमियम से बनी एक पारंपरिक चुंबकीय टिप से करके इसकी पुष्टि की, जिसमें यह 'फ्लिपिंग' व्यवहार नहीं दिखा। तथ्य यह कि लगभग 10 केल्विन से ऊपर तापमान बढ़ने पर यह प्रभाव गायब हो गया, ने यह सुझाव दिया कि यह स्वयं समैरियम हेक्साबोराइड टिप का एक अनूठा गुण था, न कि उस चुंबकीय सतह की विशेषता जिसे वे प्रोब कर रहे थे।

इस व्यवहार का स्पष्टीकरण समैरियम हेक्साबोराइड की अद्वितीय टोपोलॉजी में निहित है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि वोल्टेज से उत्पन्न विद्युत क्षेत्र टिप की सतह पर एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया बनाता है, जिसकी भविष्यवाणी एक्सियन्स के सिद्धांत द्वारा की जाती है। इस परिदृश्य में, विद्युत क्षेत्र एक विशिष्ट प्रकार का चुंबकीय ध्रुवीकरण प्रेरित करता है जो 'टाइम रिवर्शल' (समय उत्क्रमण) के तहत विषम है, जिसका अर्थ है कि यह समय की दिशा या क्षेत्र की दिशा को पलटने पर अलग व्यवहार करता है। यह सामग्रियों के सामान्य चुंबकीय गुणों से भिन्न है। अध्ययन बताता है कि समैरियम हेक्साबोराइड की सतह एक ऐसी सीमा के रूप में कार्य करती है जहाँ पदार्थ के नियम बदलते हैं, जिससे यह विद्युत-से-चुंबकीय रूपांतरण संभव हो पाता है। यह प्रभाव इतना संवेदनशील है कि इसे वोल्टेज स्विच के एक झटके के साथ चालू और बंद किया जा सकता है, जो नियंत्रण का एक ऐसा स्तर है जिसे पहले ऐसे तंत्रों में प्राप्त करना कठिन माना जाता था।

हालांकि शोधकर्ता सावधानी बरतते हुए यह उल्लेख करते हैं कि यह उनके डेटा की एक व्याख्या है न कि एक्सियन कणों के अस्तित्व का अंतिम प्रमाण, फिर भी साक्ष्य दृढ़ता से एक एक्सियन-जैसे मैग्नेटोइलेक्ट्रिक रिस्पॉन्स की ओर संकेत करते हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की सतह वास्तव में एक विद्युत क्षेत्र के जवाब में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न कर सकती है, एक ऐसी घटना जिसकी भविष्यवाणी की गई थी लेकिन इस विशिष्ट संदर्भ में कभी स्पष्ट रूप से देखी नहीं गई थी। यह कार्य इस बात की समझ में एक नया द्वार खोलता है कि कैसे क्वांटेंटम सामग्रियां ब्रह्मांड के मौलिक बलों का अनुकरण कर सकती हैं। यह सुझाव देता है कि केवल एक सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक जंक्शन में वोल्टेज को समायोजित करके, वैज्ञानिक स्पिन और चुंबकीय गुणों को नियंत्रित कर सकते हैं, जो अंततः नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की ओर ले जा सकता है। इतने छोटे विद्युत संकेतों के साथ चुंबकत्व को नियंत्रित करने की क्षमता बिजली, चुंबकत्व और पदार्थ की टोपोलॉजी के बीच गहरे संबंधों की खोज के लिए एक नया मार्ग प्रदान करती है।