Magnetoconductance evolution across the topological-trivial phase transition in ${In_{x}}({Bi_{0.3}}{Sb_{0.7}})_{2-x}{Te_3}$ thin films

क्वांटम सामग्रियों की दुनिया में, टोपोलॉजिकल इंसुलेटर (topological insulators) के रूप में जानी जाने वाली पदार्थों की एक विशेष श्रेणी मौजूद है। एक ऐसे पदार्थ की कल्पना करें जो अपने भीतर एक पूर्ण विद्युत कुचालक (insulator) की तरह कार्य करता है, जो बिजली के प्रवाह को रोकता है, जबकि साथ ही अपने बहुत ही सूक्ष्म सतह पर एक अत्यधिक कुशल सुचालक (conductor) के रूप में कार्य करता है। यह असामान्य व्यवहार सामग्री के आकार या आकार के कारण नहीं है, बल्कि इसकी आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना के एक मौलिक गुण के कारण है, जो क्वांटम मैकेनिक्स के नियमों द्वारा संरक्षित है। ये सतही धाराएं (surface currents) उल्लेखनीय रूप से सुदृढ़ होती हैं; वे दोषों और अशुद्धियों के चारों ओर बिना बिखरे प्रवाहित हो सकती हैं, जो एक ऐसी विशेषता है जो उन्हें भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए अत्यधिक वांछनीय बनाती है जो कम गर्मी उत्पन्न करते हैं और कम बिजली की खपत करते हैं। हालाँकि, यह नाजुक अवस्था अपने वातावरण के प्रति संवेदनशील होती है। यदि सामग्री को बहुत अधिक विक्षेपित किया जाता है, या यदि इसकी रासायनिक संरचना में महत्वपूर्ण परिवर्तन किया जाता है, तो विशेष सतही धाराएं लुप्त हो सकती हैं, और सामग्री एक सामान्य, साधारण कुचालक की तरह व्यवहार करने लगती है। यह समझना कि ठीक कैसे और कब यह संक्रमण होता है, और सामग्री अपने विशेष गुणों को खोते समय कैसा व्यवहार करती है, उन भौतिकविदों के लिए एक केंद्रीय प्रश्न है जो इन सामग्रियों को वास्तविक दुनिया की तकनीक के लिए उपयोग करने का प्रयास कर रहे हैं।

भारतीय विज्ञान शिक्षा और अनुसंधान संस्थान कोलकाता के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस यात्रा का विस्तार से मानचित्रण किया है, जिसमें इंडियम, बिस्मथ, एंटिमोनी और टेल्यूरियम से बनी पतली फिल्मों के एक विशिष्ट परिवार का अध्ययन किया गया है। मिश्रण में इंडियम की मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे सामग्री को परिवर्तन के दो अलग-अलग चरणों के माध्यम से ले जाने में सक्षम रहे। पहले, उन्होंने सामग्री को एक विलक्षण, टोपोलॉजिकल अवस्था से एक मानक, साधारण कुचालक अवस्था में बदलते हुए देखा। फिर, जैसे ही उन्होंने और अधिक इंडियम मिलाया, उन्होंने सामग्री को एक अराजक शासन (regime) में धकेल दिया जहाँ बिजली स्वतंत्र रूप से प्रवाहित नहीं होती है बल्कि फंसी हुई जगहों के बीच छोटी, यादृच्छिक छलांगों की एक श्रृंखला में कूदती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र के प्रति बिजली की प्रतिक्रिया प्रत्येक चरण में नाटकीय रूप रूप से बदल जाती है, जो सामग्री की आंतरिक क्वांटम संरचना और जोड़े गए परमाणुओं द्वारा उत्पन्न विकार (disorder) के बीच एक जटिल परस्पर क्रिया को प्रकट करती है।

वैज्ञानिकों ने अत्यंत पतली फिल्मों की एक श्रृंखला बनाई, जिनमें से प्रत्येक लगभग 100 नैनोमीटर मोटी थी, जो एक क्रिस्टल सतह पर परमाणुओं को जमा करने के लिए एक लक्ष्य पर लेजर दागने वाली तकनीक का उपयोग करती है। उन्होंने बिना इंडियम वाली एक फिल्म से शुरुआत की, जो धात्विक सतही धाराओं वाले एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर के रूप में व्यवहार करती थी। जैसे-जैसे उन्होंने व्यवस्थित रूप से इंडियम की सांद्रता बढ़ाई, भारी परमाणुओं को हल्के परमाणुओं से बदलते हुए, उन्होंने लगभग 7 प्रतिशत की सांद्रता के आसपास एक महत्वपूर्ण बदलाव देखा। इस बिंदु पर, सामग्री एक टोपोलॉजिकल चरण संक्रमण (phase transition) से गुजर गई। सामग्री की आंतरिक ऊर्जा बैंड, जो विशेष सतलीय अवस्थाओं को बनाने के लिए उलटे (inverted) किए गए थे, वापस अपने सामान्य क्रम में आ गए। इस परिवर्तन को डेटा में एक विशिष्ट मार्कर द्वारा संकेत दिया गया था: क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव (interference effects), जो आमतौर पर सतही धाराओं की रक्षा करते हैं, बढ़ने लगे और फिर गिर गए, और ठीक उसी क्षण चरम पर पहुँचे जब सामग्री ने अपनी टोपोलॉजिकल पहचान खो दी। इसने पुष्टि की कि सामग्री एक टोपोलॉजिकल वर्ग से एक सामान्य, साधारण इंसुलेटिंग वर्ग में प्रवेश कर गई थी।

हालाँकि, कहानी यहाँ समाप्त नहीं हुई। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने इंडियम जोड़ना जारी रखा, सामग्री तेजी से विकारयुक्त (disordered) होती गई। लगभग 15 प्रतिशत के आसपास, एक दूसरा, अधिक नाटकीय संक्रमण हुआ। फिल्मों का विद्युत प्रतिरोध आसमान छू गया, जो यह संकेत देता था कि इलेक्ट्रॉन अब एक सुचारू, बहते हुए प्रवाह में नहीं चल रहे हैं। इसके बजाय, वे स्थानीयकृत पॉकेटों (localized pockets) में फंस गए थे, जो 'वेरिएबल-रेंज हॉपिंग' (variable-range hopping) नामक तंत्र द्वारा चलने के लिए मजबूर थे। इस शासन में, एक इलेक्ट्रॉन निरंतर प्रवाहित नहीं होता है; वह एक तापीय झटके (thermal jolt) का इंतजार करता है, फिर पास के एक ऐसे स्थान पर अचानक, यादृच्छिक छलांग लगाता है जहाँ वह अस्तित्व में रह सके, और फिर से प्रतीक्षा करता है और कूदता है। यह टोपोलॉजिकल चरण में देखे गए सुचारू प्रवाह के बिल्कुल विपरीत है। शोधकर्ताओं ने इस 15 प्रतिशत की दहलीज को उस बिंदु के रूप में पहचाना जहाँ सामग्री एक विसरित (diffusive), धातु-समान अवस्था से एक दृढ़ता से स्थानीयकृत, इंसुलेटिंग अवस्था में परिवर्तित हुई।

शायद सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि विभिन्न चरणों से गुजरते समय सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। शुरुआती चरणों में, जब सामग्री अभी भी टोपोलॉजिकल थी और इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप रूप से बह रहे थे, चुंबकीय क्षेत्र लगाने से विद्युत चालकता कम हो गई। यह एक ज्ञात प्रभाव है जहाँ चुंबकीय क्षेत्र उस क्वांटम हस्तक्षेप को बाधित करता है जो इलेक्ट्रॉनों को टकरावों से बचने में मदद करता है। लेकिन एक बार जब सामग्री ने 15 प्रतिशत की दहलीज पार कर ली और हॉपिंग शासन में प्रवेश कर लिया, तो प्रतिक्रिया पूरी तरह से उलट गई। कम चुंबकीय क्षेत्रों में, चालकता वास्तव में बढ़ गई। यह सकारात्मक प्रतिक्रिया एक आश्चर्य थी क्योंकि मानक क्वांटम हस्तक्षेप सिद्धांत आमतौर पर चालकता में कमी की भविष्यवाणी करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह वृद्धि उन विभिन्न पथों के बीच यादृच्छिक हस्तक्षेप पैटर्न को बाधित करने के कारण हुई जो एक इलेक्ट्रॉन के हॉपिंग (hopping) के दौरान अपनाए जा सकते हैं। इन पैटर्न को तोड़कर, चुंबकीय क्षेत्र ने इलेक्ट्रॉनों के लिए अपने गंतव्य तक पहुँचने के लिए एक सफल पथ खोजने को थोड़ा आसान बना दिया, जिससे प्रभावी रूप से प्रतिरोध कम हो गया।

जैसे-जैसे चुंबकीय क्षेत्र मजबूत होता गया, व्यवहार फिर से बदल गया। सकारात्मक प्रभाव अंततः एक अलग तंत्र द्वारा दबा दिया गया जहाँ चुंबकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉन के तरंग-सदृश आकार को सिकोड़ देता है, जिससे इलेक्ट्रॉन के एक स्थान से दूसरे स्थान पर कूदना कठिन हो जाता है। इसके कारण चालकता गिर गई, जिससे प्रतिक्रिया एक बार फिर नकारात्मक हो गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि सकारात्मक से नकारात्मक में यह स्विच होने का बिंदु तापमान और फिल्म में इंडियम की मात्रा दोनों पर निर्भर था। उच्च तापमान पर, पूरे चुंबकीय क्षेत्र की सीमा में सकारात्मक प्रभाव हावी रहा। इस जटिल व्यवहार को समझाने के लिए, टीम ने दो अलग-अलग सैद्धांतिक विचारों को जोड़ा: एक जो बताता है कि चुंबकीय क्षेत्र हॉपिंग पथों के हस्तक्षेप को कैसे प्रभावित करते हैं, और दूसरा जो इस बात का लेखा-जोखा रखता है कि चुंबकीय क्षेत्र फंसी हुई साइटों के ऊर्जा स्तरों को कैसे बदलते हैं। इस संयुक्त मॉडल ने सामग्री के व्यवहार के संपूर्ण परिदृश्य को सफलतापूर्वक वर्णित किया, टोपोलॉजिकल चरण के सुचारू प्रवाह से लेकर विकारयुक्त चरण के अराजक हॉपिंग तक।

यह अध्ययन एक एकीकृत चित्र प्रदान करता है कि कैसे टोपोलॉजी, विकार (disorder) और चुंबकीय क्षेत्र मिलकर इन सामग्रियों के विद्युत गुणों को निर्धारित करते हैं। यह टोपोलॉजिकल अवस्था के नुकसान और असंगत हॉपिंग चालन (incoherent hopping conduction) के प्रारंभ के बीच एक स्पष्ट प्रयोगात्मक संबंध स्थापित करता है। इन संक्रमणों के सटीक सांद्रता बिंदुओं को चिह्नित करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि टोपोलॉजिकल इंसुलेटर से विकारयुक्त इंसुलेटर तक की यात्रा एक एकल घटना नहीं है, बल्कि विशिष्ट भौतिक परिवर्तनों का एक क्रम है। निष्कर्ष बताते हैं कि जबकि विशेष सतही धाराएं थोड़े विकार के विरुद्ध सुदृढ़ होती हैं, वे परमाणु संरचना की बढ़ती अराजकता से अंततः पराजित हो जाती हैं। यह कार्य इस बारे में विस्तृत रोडमैप प्रदान करता है कि क्वांटम सामग्रियां तनाव के तहत कैसे व्यवहार करती हैं, जो उन लोगों के लिए आवश्यक ज्ञान है जो भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए इन सामग्रियों के अद्वितीय गुणों पर निर्भर हैं।