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Direct observation of vortex liquid droplets in the iron pnictide superconductor CaKAs $_4$ Fe $_4$ at $0.5T$ _c$

स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने $T_c$ के $0.5 $गुना जैसे कम तापमान पर भी आयरन निक्टाइड सुपरकंडक्टर$ \text{CaKAs}_4\text{Fe}_4$ में स्थानीयकृत वोर्टेक्स लिक्विड बूंदों (vortex liquid droplets) का अवलोकन किया, जिससे यह प्रकट हुआ कि स्थानीय अपव्यय (local dissipation) की शुरुआत उस महत्वपूर्ण तापमान से काफी नीचे होती है जहाँ आमतौर पर मैक्रोस्कोपिक मेल्टिंग ट्रांज़िशन का पता लगाया जाता है।

मूल लेखक: Oscar Bou Marqués, Jose A. Moreno, Pablo García Talavera, Mingyu Xu, Juan Schmidt, Sergey L. Bud'ko, Paul C. Canfield, Isabel Guillamón, Edwin Herrera, Hermann Suderow

प्रकाशित 2026-01-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Oscar Bou Marqués, Jose A. Moreno, Pablo García Talavera, Mingyu Xu, Juan Schmidt, Sergey L. Bud'ko, Paul C. Canfield, Isabel Guillamón, Edwin Herrera, Hermann Suderow

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

एक सुपरकंडक्टर (अतिचालक) की कल्पना एक जादुई, घर्षण-मुक्त डांस फ्लोर के रूप में करें जहाँ इलेक्ट्रॉन जैसे सूक्ष्म कण बिना ऊर्जा खोए एक साथ तैरते हैं। आमतौर पर, यह डांस फ्लोर एकदम उत्तम होता है। लेकिन यदि आप इसमें एक चुंबकीय क्षेत्र (जैसे कि फर्श पर बहती हुई एक तेज़ हवा) पेश करते हैं, तो यह इलेक्ट्रॉन के प्रवाह में छोटे-छोटे भंवर बना देता है। वैज्ञानिक इन भंवरों को वोर्टेक्स (vortices) कहते हैं।

एक आदर्श दुनिया में, ये भंवर एक व्यवस्थित, कठोर ग्रिड में पंक्तिबद्ध होंगे, जैसे सैनिक सावधान की मुद्रा में खड़े हों। इसे "वोर्टेक्स सॉलिड" कहा जाता है। जब तक वे अपनी जगह पर स्थिर रहते हैं, सुपरकंडक्टर उत्तम बना रहता है। लेकिन यदि वे डगमगाना, फिसलना या एक अराजक मलबे में बदल जाना शुरू कर देते हैं, तो सुपरकंडक्टर ऊर्जा खोने लगता है (डिसिपेशन)।

यहाँ इस शोध पत्र की खोज का सरल विवरण दिया गया है:

1. "पिघलने" का आश्चर्य

लंबे समय से, वैज्ञानिकों का मानना था कि ये भंवर केवल तभी पिघलना और अराजक होना शुरू होते हैं जब वे उस बिंदु के बहुत करीब पहुँच जाते हैं जहाँ सामग्री पूरी तरह से सुपरकंडक्टर होने का गुण खो देती है (जिसे क्रिटिकल टेम्परेचर या $T_c$ कहा जाता है)। यह ऐसा ही था जैसे यह सोचना कि बर्फ केवल तभी पिघलती है जब वह पानी के गड्ढे में बदलने वाली हो।

हालाँकि, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट आयरन-आधारित सुपरकंडक्टर CaKFe $_4$ As $_4$ का अध्ययन किया है, जो एक अत्यंत शक्तिशाली माइक्रोस्कोप स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (STM) का उपयोग करके। यह माइक्रोस्कोप इतना संवेदनशील कैमरा है कि यह व्यक्तिगत भंवरों को भी देख सकता है।

खोज: उन्होंने पाया कि ये भंवर पूरी तरह खत्म होने का इंतज़ार नहीं करते। यहाँ तक कि जब सामग्री अभी भी बहुत ठंडी होती है (अपनी अधिकतम सीमा के आधे तापमान पर भी), तब भी अराजकता के छोटे, अलग-थलग द्वीप दिखाई देते हैं। वे इन्हें "वोर्टेक्स लिक्विड ड्रॉपलेट्स" (vortex liquid droplets) कहते हैं।

2. उपमा: गर्म पैच वाला जमी हुई झील का उदाहरण

कल्पना कीजिए कि एक जमी हुई झील (सुपरकंडक्टर) है जो बर्फ की मूर्तियों (वोर्टेक्स) से ढकी है।

पुराना दृष्टिकोण: आप सोचेंगे कि पूरी झील तब तक जमी रहेगी जब तक सूरज बहुत तेज़ न हो जाए, और फिर पूरी बर्फ एक साथ पानी में बदल जाएगी।
नया दृष्टिकोण: शोधकर्ताओं ने पाया कि ठंडे दिन में भी, बर्फ की मूर्तियों के ठीक बगल में पानी के छोटे, स्थानीय गड्ढे (ड्रॉपलेट्स) बन रहे हैं। इन गड्ढों में बर्फ की मूर्तियाँ पागलों की तरह डगमगा और फिसल रही हैं, जबकि झील का बाकी हिस्सा अभी भी जमा हुआ ठोस है।

ये "गड्ढे" वे क्षेत्र हैं जहाँ तापीय ऊर्जा (ऊष्मा) इतनी प्रबल है कि वह भंवरों को उनकी जगह पर थामे रखने वाले "पिन" को तोड़ देती है, जिससे वे स्थानीय रूप से इधर-उधर घूमने लगते हैं, भले ही सामग्री का बाकी हिस्सा अभी भी एक ठोस की तरह व्यवहार कर रहा हो।

3. वे क्यों चलते हैं? (पिनिंग की समस्या)

कुछ भंवर स्थिर क्यों रहते हैं जबकि अन्य तरल बूंदों में बदल जाते हैं? यह पिनिंग (pinning) पर निर्भर करता है।

सामग्री को एक ऊबड़-खाबड़ सड़क के रूप में सोचें। भंवर गड्ढों (क्रिस्टल की कमियों) में फंसना पसंद करते हैं।

मजबूत गड्ढे: यदि कोई भंवर गहरे गड्ढे में गिरता है, तो वह वहीं अटका रहता है। यह एक "वोर्टेक्स सॉलिड" है।
कमजोर गड्ढे: यदि भंवर किसी समतल जगह या उथले उभार पर है, तो गर्मी उसे मुक्त होकर हिलने के लिए मजबूर कर देती है। यह उछल-कूद करना शुरू कर देता है, जिससे "वोर्टेक्स लिक्विड ड्रॉपलेट" बनता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि ये बूंदें उन विशिष्ट स्थानों पर बनती हैं जहाँ "गड्ढे" गर्मी के विरुद्ध भंवरों को थामे रखने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं होते। उन्होंने व्यक्तिगत भंवरों को समय के साथ ट्रैक भी किया और देखा कि कुछ थोड़ी दूरी तक उछलते-कूदते हैं, जबकि अन्य घंटों तक स्थिर रहते हैं।

4. "परफेक्ट" अवस्था के बारे में इसका क्या अर्थ है?

मुख्य निष्कर्ष यह है कि "परफेक्ट" सुपरकंडक्टिंग अवस्था उतनी एकसमान नहीं है जितना कि हम सोचते थे।

मैक्रोस्कोपिक (स्थूल) दृष्टिकोण: यदि आप एक मानक मीटर के साथ पूरी सामग्री को देखते हैं, तो यह एक आदर्श सुपरकंडक्टर दिखता है क्योंकि "गड्ढे" इतने छोटे और बिखरे हुए हैं कि बिजली उनके चारों ओर से बह सकती है (जैसे धारा में छोटे पत्थरों के चारों ओर बहता पानी)।
माइक्रोस्कोपिक (सूक्ष्म) दृष्टिकोण: लेकिन यदि आप ज़ूम इन करते हैं, तो आप देखते हैं कि सामग्री वास्तव में जमी हुई ठोस और तरल अराजकता का मिश्रण है। "परफेक्ट" अवस्था पहले के विश्वास की तुलना में बहुत छोटे तापमान रेंज में मौजूद होती है।

सारांश

यह शोध पत्र दिखाता है कि इस विशिष्ट सुपरकंडक्टर में, "जमे हुए" से "तरल" में परिवर्तन कोई एक एकल घटना नहीं है जो गर्म होने पर एक साथ होती है। इसके बजाय, यह एक अस्त-व्यस्त, स्थानीय प्रक्रिया है। ठंडी सामग्री के भीतर भी अराजक, चलते हुए भंवरों के छोटे द्वीप दिखाई देते हैं, जो जमे हुए, स्थिर भंवरों के समुद्र में तैर रहे हैं। यह हमें सिखाता है कि "परफेक्ट" सुपरकंडक्टिंग अवस्था हमारी कल्पना से कहीं अधिक नाजुक और जटिल है, जो पूरी तरह से सामग्री की संरचना में मौजूद सूक्ष्म, स्थानीय खामियों पर निर्भर करती है।

तकनीकी सारांश: CaKFe $_4$ As $_4$ में वर्टेक्स लिक्विड ड्रॉपलेट्स का प्रत्यक्ष अवलोकन

समस्या विवरण
टाइप-II सुपरकंडक्टर्स में, चुंबकीय क्षेत्र पदार्थ में क्वांटाइज्ड वर्टेक्स (quantized vortices) के रूप में प्रवेश करता है। जबकि वर्टेक्स आमतौर पर एक व्यवस्थित जाली (वर्टेक्स सॉलिड) बनाते हैं जो दोषों (defects) द्वारा पिन किया जाता है, तापीय उतार-चढ़ाव (thermal fluctuations) एक अव्यवस्थित, गतिशील अवस्था (वर्टेक्स लिक्विड) में संक्रमण को प्रेरित कर सकते हैं, जिससे ऊर्जा क्षय (dissipation) होता है। मैक्रोस्कोपिक प्रयोगों और स्थानिक रूप से औसत तकनीकों ने यह स्थापित किया है कि यह मेल्टिंग ट्रांजिशन सामान्यतः क्रिटिकल तापमान ( $T_c$ ) के बहुत करीब होता है। हालांकि, यह स्पष्ट नहीं है कि $T_c$ से काफी नीचे के तापमान पर व्यक्तिगत वर्टेक्स के पैमाने पर वर्टेक्स सॉलिड तापीय उतार-चढ़ाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है। विशेष रूप से, मध्यवर्ती तापमान शासन में स्थानीय क्षय की शुरुआत और सॉलिड एवं लिक्विड चरणों के स्थानिक सह-अस्तित्व (spatial coexistence) का पूर्णतः लक्षण वर्णन नहीं किया गया है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने 14 T तक के चुंबकीय क्षेत्रों में आयरन नाइलाइड सुपरकंडक्टर CaKFe $_4$ As $_4$ ( $T_c \approx 35$ K) में व्यक्तिगत सुपरकंडक्टिंग वर्टेक्स को सीधे देखने के लिए स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी (STM) का उपयोग किया। इस पदार्थ को इसके अपेक्षाकृत उच्च $T_c$ , छोटे कोहेरेंस लेंथ ( $\xi < 2$ nm), और अंतर्ग्रथित (intergrown) CaFe $_2$ As $_2$ और KFe $_2$ As $_2$ परतों वाले सुस्पष्ट पिनिंग लैंडस्केप के लिए चुना गया।

प्रायोगिक दृष्टिकोण में शामिल था:

जीरो-बायस कंडक्टेंस मैपिंग: जीरो बायस पर टनलिंग कंडक्टेंस की मैपिंग, जो फर्मी स्तर पर स्थानीय घनत्व अवस्था (LDOS) के समानुपाती है। वर्टेक्स कोर, सुपरकंडक्टिंग बल्क की तुलना में उच्च LDOS (नॉर्मल स्टेट) प्रदर्शित करते हैं।
तापमान और क्षेत्र परिवर्तन: 10 K से 30 K (लगभग $0.85 T_c$ तक) के तापमान और 2 T से 14 T के चुंबकीय क्षेत्रों में माप करना।
समय-समाधान ट्रैकिंग (Time-Resolved Tracking): निश्चित तापमान और क्षेत्रों पर लगभग 150 मिनट की अवधि में अनुक्रमिक कंडक्टेंस मैप प्राप्त करना ताकि वर्टेक्स के प्रक्षेपवक्र (trajectories) को ट्रैक किया जा सके और तापीय रूप से प्रेरित गतिशीलता को मापा जा सके।
चरण पहचान (Phase Identification): एक "वर्टेक्स सॉलिड" (जहाँ व्यक्तिगत वर्टेक्स स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं), "वर्टेक्स लिक्विड ड्रॉपलेट्स" (स्थानीय क्षेत्र जहाँ वर्टेक्स दृढ़ता से उतार-चढ़ाव करते हैं, जो विलय हुए पैच के रूप में दिखाई देते हैं), और एक वैश्विक "वर्टेक्स लिक्विड" (जो दृश्य क्षेत्र में फैला हुआ है) के बीच अंतर करना।

प्रमुख योगदान और परिणाम
यह अध्ययन मैक्रोस्कोपिक मेल्टिंग तापमान से काफी नीचे स्थानीय वर्टेक्स मेल्टिंग के प्रत्यक्ष वास्तविक-स्थान (real-space) साक्ष्य प्रदान करता है:

वर्टेक्स लिक्विड ड्रॉपलेट्स का अवलोकन: लेखकों ने स्थानीयकृत क्षेत्रों की पहचान की, जिन्हें "वर्टेक्स लिक्विड ड्रॉपलेट्स" कहा गया, जहाँ तापीय उत्तेजना के कारण वर्टेक्स दृढ़ता से उतार-चढ़ाव करते हैं। ये ड्रॉपलेट्स उन क्षेत्रों के रूप में दिखाई देते हैं जहाँ व्यक्तिगत वर्टेक्स बड़े पैच में मिल जाते हैं, जो आसपास के अव्यवस्थित वर्टेक्स सॉलिड से भिन्न होते हैं जहाँ व्यक्तिगत वर्टेक्स resolvable रहते हैं।
निम्न-तापमान शुरुआत: ये लिक्विड ड्रॉपलेट्स 10 T के क्षेत्र में $0.5 T_c$ (15 K) जैसे निम्न तापमान पर भी देखे गए। यह उन मेल्टिंग ट्रांजिशन तापमानों से काफी कम है जो मैक्रोस्कोपिक मापों में आमतौर पर देखे जाते हैं।
चरणों का सह-अस्तित्व: परिणाम दर्शाते हैं कि एक ही नमूने के भीतर सॉलिड और लिक्विड वर्टेक्स चरण एक विस्तृत क्रॉसओवर क्षेत्र में सह-अस्तित्व में रहते हैं। यह संक्रमण एकसमान नहीं है; बल्कि, मेल्टिंग स्थानीय रूप से उन क्षेत्रों में शुरू होती है जहाँ संवर्धित तापीय उतार-चढ़ाव होते हैं।
वर्टेक्स गतिशीलता और पिनिंग: वर्टेक्स के प्रक्षेपवक्रों को ट्रैक करके, लेखकों ने पाया कि वर्टेक्स की गतिशीलता चुंबकीय क्षेत्र और स्थानीय पिनिंग लैंडस्केप पर अत्यधिक निर्भर है।
- कम क्षेत्रों (जैसे 2 T) में, वर्टेक्स महत्वपूर्ण गतिशीलता प्रदर्शित करते हैं, जो इंटरवर्टेक्स स्पेसिंग से कहीं अधिक दूरी तय करते हैं।
- मध्यवर्ती क्षेत्रों (लगभग 8–10 T के आसपास), गतिशीलता न्यूनतम होती है, और वर्टेक्स काफी हद तक पिन (pinned) रहते हैं।
- वर्टेक्स द्वारा तय की गई संचित दूरी क्षेत्र निर्भरता का पालन करती है जो ड्यू-ह्यूज (Dew-Hughes) पिनिंग मॉडल ( $\propto h^p(1-h)^q$ ) के अनुरूप है, जो यह सुझाव देता है कि पिनिंग तंत्र केवल पॉइंट डिफेक्ट्स के बजाय सतह-समान इंटरैक्शन (संभवतः अंतर्ग्रथित परतों) द्वारा नियंत्रित होता है।
मैक्रोस्कोपिक डेटा के साथ सहसंबंध: लिक्विड ड्रॉपलेट्स का स्थानीय अवलोकन फेज डायग्राम में वर्टेक्स लिक्विड चरण के क्षेत्र को $0.5 T_c$ तक विस्तारित करता है, जो उन मैक्रोस्कोपिक फेज डायग्राम के विपरीत है जो आमतौर पर $T_c$ के बहुत करीब तक सॉलिड चरण के प्रभुत्व को दिखाते हैं।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि सुपरकंडक्टर्स में वर्टेक्स का पिघलना (melting) एक समान, वैश्विक संक्रमण नहीं है, बल्कि यह स्थानीय पिनिंग पोटेंशियल लैंडस्केप से मजबूती से जुड़ा एक प्रक्रिया है। इन निष्कर्षों का प्राथमिक महत्व निम्नलिखित है:

स्थानीय क्षय की शुरुआत: टाइप-II सुपरकंडक्टर्स में स्थानीय स्तर पर क्षय (dissipation) की शुरुआत $T_c$ से काफी नीचे के तापमान पर होती है, जो इस विचार को चुनौती देती है कि वर्टेक्स सॉलिड $T_c$ के निकट तक स्थिर रहता है।
क्रिटिकल करंट्स के निहितार्थ: लिक्विड ड्रॉपलेट्स के अस्तित्व का तात्पर्य है कि भले ही उच्च क्रिटिकल करंट डेंसिटी वाले नमूनों में (जहाँ मैक्रोस्कोपिक वोल्टेज ड्रॉप शून्य है), स्थानीय क्षय पर्कोलेशन पथों (percolation paths) के माध्यम से हो सकता है। यह माइक्रोन-आकार के नमूनों या नैनोस्ट्रक्चर्ड सुपरकंडक्टर्स के लिए विशेष रूप से प्रासंगिक है जहाँ ऐसे ड्रॉपलेट्स का निर्माण प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकता है।
पिनिंग लैंडस्केप की जटिलता: अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि तापीय उतार-चढ़ाव और एक जटिल पिनिंग लैंडस्केप (जिसमें रैखिक दोष और पॉइंट डिसऑर्डर दोनों शामिल हैं) के बीच का परस्पर प्रभाव लिक्विड ड्रॉपलेट्स के निर्माण को नियंत्रित करता है। $T_c$ से दूर होने के बावजूद, संवर्धित उतार-चढ़ाव वाले क्षेत्रों में अधिमानतः लिक्विड ड्रॉपलेट्स का बनना, कार्यात्मक सुपरकंडक्टिंग उपकरणों के लिए उन्नत वर्टेक्स पिनिंग के मौलिक महत्व को रेखांकित करता है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि उनका डेटा सॉलिड और लिक्विड चरणों के एक विस्तृत सह-अस्तित्व क्षेत्र को प्रकट करता है, जो यह संकेत देता है कि वास्तविक विहीन-क्षय (dissipationless) सुपरकंडक्टिंग चरण का तापमान रेंज मैक्रोस्कोपिक प्रयोगों से अनुमानित रेंज की तुलना में बहुत छोटा है।