Fluctuation-Induced Supersolidity at the Superfluid-Solid Interface

क्वांटम दुनिया में, पदार्थ उन तरीकों से व्यवहार कर सकता है जो हमारे रोजमर्रा के अनुभवों को चुनौती देते हुए प्रतीत होते हैं। इनमें से दो सबसे आश्चर्यजनक व्यवहार सुपरफ्लुइडिटी (superfluidity) और सुपरसॉलिडिटी (supersolidity) हैं। सुपरफ्लुइडिटी तब होती है जब एक तरल, जिसे परम शून्य तापमान के करीब ठंडा किया जाता है, अपना सारा आंतरिक घर्षण खो देता है और बिना किसी प्रतिरोध के बहता है, जैसे कि बर्तनों की दीवारों पर चढ़ना या बिना धीमे हुए अनंत काल तक घूमते रहना। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तरल के परमाणु पूर्ण सामंजस्य में कार्य करते हैं, एक एकल, सुसंगत इकाई के रूप में चलते हैं। सुपरसॉलिडिटी एक दुर्लभ और अधिक मायावी अवस्था है जो इस घर्षण रहित प्रवाह को एक क्रिस्टल की कठोर, दोहराती संरचना के साथ जोड़ती है। एक सुपरसॉलिड में, सामग्री इतनी ठोस होती है कि वह एक आकार बनाए रख सके और एक जाली (lattice) बना सके, फिर भी यह एक सुपरफ्लुइड की तरह बह सकती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस हाइब्रिड अवस्था को बनाने का तरीका खोज रहे हैं, जिसके लिए एक पैटर्न बनाने के लिए स्थान की समरूपता (symmetry) को तोड़ना आवश्यक है, जबकि तरल की बहने की क्षमता को बनाए रखना होता है। हालांकि हाल के प्रयोगों ने परमाणुओं के बीच आकर्षण या प्रतिकर्षण को सावधानीपूर्वक ट्यून करके विशिष्ट गैसों में सुपरसॉलिडिटी प्राप्त की है, एक नया सैद्धांतिक अध्ययन एक अलग, शायद सरल मार्ग का सुझाव देता है: एक तरल और एक ठोस दीवार के बीच की सीमा का उपयोग करके इस प्रभाव को उत्पन्न करना।

ऑस्ट्रिया के इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रस्तावित किया है कि वह इंटरफेस जहाँ एक सुपरफ्लुइड एक ठोस सतह से मिलता है, स्वाभाविक रूप से एक सुपरसॉलिड अवस्था उत्पन्न कर सकता है, जिसमें बल्क लिक्विड के बीच के मौलिक बलों को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है। अपने कार्य में, उन्होंने एक पूरी तरह से चिकनी, ठोस दीवार के विरुद्ध स्थित सुपरफ्लुइड की एक परत का मॉडल तैयार किया। सामान्यतः, सुपरफ्लuid के परमाणु और ठोस दीवार के परमाणु कमजोर आकर्षक और प्रतिकारक बलों के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं, लेकिन वे काफी हद तक असंबद्ध रहते हैं, जैसे कि दो भीड़ आपस में बिना किसी संवाद के एक-दूसरे के पास से गुजर रही हो। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि ठोस दीवार इतनी नरम है कि वह आसानी से कंपन कर सके, तो ये कंपन, जिन्हें फोनोन (phonons) कहा जाता है, सुपरफ्लुइड की घनत्व तरंगों (density waves) के साथ जुड़ सकते हैं। यह जुड़ाव एक फीडबैक लूप बनाता है: सुपरफ्लुइड के घनत्व के उतार-चढ़ाव ठोस पर दबाव डालते हैं, जिससे वह कंपन करता है, और वे कंपन बदले में सुपरफ्लuid को खींचते हैं, जिससे उसके परमाणुओं को एक दोहराते हुए पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है।

अध्ययन से पता चलता है कि जब यह परस्पर क्रिया पर्याप्त मजबूत होती है, तो प्रणाली एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से अस्थिर हो जाती है। दीवार के पास सुपरफ्लuid का समान, चिकना घनत्व स्वतः ही एक तरंग-नुमा पैटर्न में टूट जाता है, जिसमें उच्च और निम्न घनत्व वाले क्षेत्र एक नियमित ग्रिड बनाते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, यह तब होता है जब तरल बिना किसी घर्षण के बहने की अपनी क्षमता बनाए रखता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह अस्थिरता सबसे पहले सुपरफ्लuid हीलियम में 'रोटन मोड' (roton mode) नामक एक विशिष्ट प्रकार के कंपन पर, या बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट्स जैसे अन्य सुपरफ्लुइड्स में व्यापक रेंज के पैटर्न में दिखाई देती है। एक बार जब यह परस्पर क्रिया एक निश्चित सीमा को पार कर जाती है, तो सिस्टम की ग्राउंड स्टेट एक साधारण सुपरफ्लuid से बदलकर एक हाइब्रिड चरण में बदल जाती है: दीवार के ठीक पास एक सुपरसॉलिड परत बनती है, जबकि शेष तरल एक मानक सुपरफ्लuid बना रहता है। यह एक अनूठी अवस्था बनाता है जहाँ सामग्री सतह पर ठोस जैसी लेकिन उसके ठीक नीचे तरल जैसी होती है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, टीम ने गणितीय मॉडलों का उपयोग करके सिस्टम के व्यवहार का अनुकरण (simulate) किया, जिसमें सुपरफ्लuid और ठोस दीवार को एक-दूसरे को प्रभावित करने वाले क्षेत्रों (fields) के रूप में माना गया। उन्होंने इन घनत्व तरंगों को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना की और पाया कि ठोस दीवार वास्तव में ऊर्जा की लागत को कम कर देती है, जिससे पैटर्न बनना आसान हो जाता है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने देखा कि सुपरफ्लuid के परमाणु ठोस दीवार के कंपनों के साथ तालमेल बिठाकर ऊपर-नीचे होंगे, जिससे एक 'इन-फेज मॉड्यूलेशन' (in-phase modulation) बनेगा। इसका अर्थ है कि तरल के परमाणु और ठोस के परमाणु एक साथ चलते हैं, जिससे उनका आकर्षण अधिकतम होता है और नए पैटर्न को स्थिरता मिलती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि इस नई क्रिस्टलीय व्यवस्था के साथ भी, तरल में "फेज स्टिफनेस" (phase stiffness) बनी रहती है, जो बिना प्रतिरोध के बहने की उसकी क्षमता का एक तकनीकी माप है। इसका मतलब है कि सामग्री वास्तव में एक सुपरसolid है, जिसमें क्रिस्टल की कठोरता और सुपरफ्लuid का घर्षण रहित प्रवाह दोनों मौजूद हैं।

निष्कर्ष बताते हैं कि सुपरसॉलिड बनाना हमेशा परमाणु अंतःक्रियाओं की उस नाजुक और कठिन ट्यूनिंग की आवश्यकता नहीं रखता है जो पिछले प्रयोगों में आवश्यक रही है। इसके बजाय, यह संभव है कि स्वयं कंटेनर के गुणों को इंजीनियर किया जाए। अध्ययन संकेत देता है कि एक नरम ठोस, जो धीमे कंपनों का समर्थन करता है, और सुपरफ्लuid के प्रति एक उचित आकर्षण के साथ मिलकर, इस संक्रमण को प्रेरित करने के लिए पर्याप्त है। यह उन प्रयोगात्मक वैज्ञानिकों के लिए एक नया मार्ग खोलता है जो आवश्यक स्थितियाँ बनाने के लिए इंजीनियर की गई सामग्रियों, जैसे कि मेटामटेरियल्स (metamaterials), का उपयोग कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि यह इंटरफेशियल सुपरसॉलिडिटी एक 'सीड' (seed) के रूप में कार्य कर सकती है, जो संभावित रूप से पूरे बल्क पदार्थ में सुपरसॉलिड अवस्था को न्यूक्लिएट करने में मदद कर सकती है, न कि केवल सतह पर। हालांकि वर्तमान कार्य प्रत्यक्ष प्रयोगशाला माप के बजाय सैद्धांतिक मॉडल और संख्यात्मक सिमुलेशन पर आधारित है, परिणाम इस विलक्षण अवस्था को वास्तविक दुनिया में साकार करने के लिए एक स्पष्ट और आशाजनक रोडमैप प्रदान करते हैं।

इस खोज के निहितार्थ केवल एक नया पदार्थ बनाने तक ही सीमित नहीं हैं। यह एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है कि सीमाएँ (boundaries) क्वांटम तरल पदार्थों को कैसे प्रभावित करती हैं, जो सुपरफ्लuid हीलियम के संदर्भ में दशकों से अध्ययन का विषय रहा है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि इन इंटरफेस पर इन तरल पदार्थों के घर्षण और परिवहन गुण इस अंतर्निहित अस्थिरता से गहराई से जुड़े हो सकते हैं। यह समझकर कि ठोस दीवार सुपरफ्लuid को कैसे प्रभावित करती है, वैज्ञानिक हीलियम फिल्मों में सुपरसॉलिडिटी से संबंधित लंबे समय से चल रही बहसों में नई अंतर्दृष्टि प्राप्त कर सकते हैं, जहाँ परमाणुओं की पहली कुछ परतों ने पहेलीनुमा व्यवहार दिखाया है। अध्ययन बताता है कि तरल और दीवार के बीच की परस्पर क्रिया केवल एक निष्क्रिय सीमा शर्त नहीं है, बल्कि सिस्टम की क्वांटम अवस्था को निर्धारित करने में एक सक्रिय भागीदार है।

अंत में, यह शोध पत्र एक ऐसी क्वांटम दुनिया का सम्मोहक दृष्टिकोण प्रस्तुत करता है जहाँ दो सामग्रियों के बीच की सीमा अलगाव की रेखा नहीं, बल्कि रूपांतरण का एक क्षेत्र है। केवल एक सुपरफ्लuid को एक नरम, कंपन करने वाले ठोस के विरुद्ध रखकर, क्वांटम यांत्रिकी के नियम एक ऐसी सामग्री बनाने के लिए मिलकर काम कर सकते हैं जो ठोस और तरल दोनों है। यह इंटरफेशियल सुपरसॉलिडिटी क्वांटम पदार्थ की खोज में एक नया अध्याय है, जो यह सुझाव देती है कि इन विलक्षण अवस्थाओं को अनलॉक करने की कुंजी परमाणुओं को बदलने में नहीं, बल्कि उन्हें कैसे रखा जाता है, इसमें निहित है। यह कार्य एक सैद्धांतिक प्रमाण है कि ऐसी अवस्था संभव है, जो सही प्रयोगात्मक सेटअप के माध्यम से वास्तविकता में आने की प्रतीक्षा कर रही है।