Microstructure-controlled vortex phases and two-phase superconductivity in (TaNb)0.7(HfZrTi)0.5 revealed by ac magnetostrictive coefficients
यह अध्ययन प्रकट करता है कि उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातु सुपरकंडक्टर (TaNb)0.7(HfZrTi)0.5 का थर्मल एनीलिंग इसके सूक्ष्म संरचना को इस प्रकार अनुकूलित करता है कि चरण-पृथक क्षेत्रों के बीच टोपोलॉजिकल कनेक्टिविटी को नियंत्रित करके उन्नत फ्लक्स पिनिंग और एक अद्वितीय द्वि-चरणीय सुपरकंडक्टिंग अवस्था सहित विशिष्ट वोर्टेक्स चरणों को प्रेरित किया जा सके।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है, जैसे कोई भूत दीवार से टकराए बिना उसके आर-पार निकल जाए। यह सुपरकंडक्टर्स (अतिचालकों) का जादुई साम्राज्य है। लेकिन इसमें एक पेंच है: ये सामग्रियां आमतौर पर तभी काम करती हैं जब वे बेहद ठंडी होती हैं, और यदि आप इनके माध्यम से एक चुंबकीय क्षेत्र को धकेलने की कोशिश करते हैं, तो वह क्षेत्र केवल गुजर नहीं जाता; बल्कि वह "वोर्टिसेस" (vortices) नामक छोटे, अराजक भंवरों में फंस जाता है। इन वोर्टिसेस को मधुमक्खी के छत्ते के भीतर गुस्से से भरी मधुमक्खियों के झुंड की तरह समझें। यदि मधुमक्खियाँ बहुत अधिक इधर-उधर भिनभिनाने लगें, तो सुपरकंडक्टिंग जादू टूट जाता है, और सामग्री काम करना बंद कर देती है। वैज्ञानिक इन वोर्टिसेस को स्थिर रखने के लिए इन सामग्रियों के भीतर "मधुमक्खी के पिंजरे" बनाने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जिससे ये सुपरकंडक्टर्स शक्तिशाली चुंबकों या सुपर-फास्ट कंप्यूटरों जैसी चीजों के लिए बहुत अधिक उपयोगी हो सकें।
ऐसा करने के लिए, शोधकर्ता अक्सर सामग्रियों के एक विशेष वर्ग का उपयोग करते हैं जिसे "हाई-एंट्रॉपी अलॉय" (High-Entropy Alloys) कहा जाता है। आप इन्हें इन धातुओं के "अल्टीमेट किचन सिंक" अलॉय के रूप में समझ सकते हैं। केवल दो या तीन धातुओं को मिलाने के बजाय, वे लगभग समान मात्रा में पांच या अधिक अलग-अलग प्रकार के परमाणुओं को मिला देते हैं। यह एक अराजक, अव्यवस्थित परमाणु संरचना बनाता है जो आश्चर्यजनक रूप से स्थिर है और इसमें कुछ शानदार भौतिक गुण हैं। एक विशिष्ट नुस्खा, जिसमें टेंटलम (Tantalum), नियोबियम (Niobium), हाफ्नियम (Hafnium), जिरकोनियम (Zirconium) और टाइटेनियम (Titanium) को मिलाया गया है, बहुत आशाजनक रहा है। लेकिन यहाँ एक पहेली है: यदि आप इस मिश्र धातु को गर्म करते हैं और इसे अलग-अलग गति या तापमान पर ठंडा होने देते हैं, तो इसके परमाणुओं की सूक्ष्म व्यवस्था बदल जाती है। बड़ा सवाल यह है कि यह सूक्ष्म पुनर्व्यवस्था उन गुस्से से भरी वोर्टिस मधुमक्खियों के व्यवहार को कैसे बदलती है?
इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस विशेष मिश्र धातु के तापमान के साथ प्रयोग करने का निर्णय लिया ताकि वे देख सकें कि वोर्टिसेस के साथ क्या होता है। उन्होंने नमूनों को लिए और उन्हें चार अलग-अलग तापमानों पर "बेक" किया: कुछ सीधे भट्टी से निकले हुए (as-cast), और अन्य 500°C, 550°C और 1000°C के भीषण तापमान पर गर्म किए गए। बिना कुछ तोड़े अंदर झाँकने के लिए, उन्होंने एक अत्यंत संवेदनशील "मैग्नेटिक स्टेथोस्कोप" का उपयोग किया जिसे AC मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव विधि कहा जाता है। चुंबकीय क्षेत्र में बदलाव आने पर सामग्री कितनी दबती या खिंचती है, इसे मापने के बजाय, उन्होंने यह मापा कि सामग्री कितनी थोड़ी सी दबी या खिंची। यह सूक्ष्म दवाब उन्हें ठीक-ठीक बताता है कि वोर्टिसेस कैसे हिल रहे हैं, कैसे फंस रहे हैं, या कैसे मुक्त हो रहे हैं।
परिणाम ऐसे थे जैसे धीमी गति में कोई नाटक चल रहा हो। जब उन्होंने सामग्री को मध्यम तापमान (500°C से 550°C) तक गर्म किया, तो परमाणुओं ने खुद को नैनोस्केल क्लस्टर्स (clusters) में पुनर्गठित किया। ये क्लस्टर्स उत्कृष्ट जाल (traps) के रूप में कार्य करते थे, जो वोर्टिस मधुमक्खियों को अपनी जगह पर रोकने के लिए उन्हें बांध लेते थे ताकि वे हिल न सकें। इसने डेटा में एक "फिशटेल" (fishtail) प्रभाव पैदा किया, जहाँ चुंबकीय क्षेत्र मजबूत होने के साथ-साथ सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों को थामे रखने में बेहतर होती गई। हालाँकि, 550°C पर, जाल इतने मजबूत थे कि वोर्टिसेस कभी-कभी फंस जाते थे और फिर अचानक एक हिंसक विस्फोट के साथ मुक्त हो जाते थे जिसे "फ्लक्स जंप" (flux jump) कहा जाता है, जो एक अचानक, अराजक झुंड के पिंजरे से बाहर निकलने जैसा है।
सबसे आश्चर्यजनक खोज उच्चतम तापमान, 1000°C पर हुई। यहाँ, सामग्री ने केवल पुनर्गठन ही नहीं किया; बल्कि यह दो अलग-अलग मोहल्लों में विभाजित हो गई। एक हिस्सा टेंटलम और नियोबियम से समृद्ध हो गया, जबकि दूसरा हिस्सा मूल मिश्रण जैसा ही रहा। ये दो मोहल्ले एक दूसरे के बगल में रहने वाले दो अलग-अलग सुपरकंडक्टिंग समुदायों की तरह थे। जब वैज्ञानिकों ने सामग्री को मापा, तो उन्होंने एक "दो-चरणीय" (two-step) प्रतिक्रिया देखी: सामग्री एक निश्चित चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति पर एक सुपरकंडक्टर की तरह व्यवहार करती थी, और फिर अचानक उच्च शक्ति पर दूसरे, अलग सुपरकंडक्टर की तरह व्यवहार करने लगती थी। यह ऐसा था जैसे चुंबकीय क्षेत्र को गुजरने के लिए सुरक्षा गार्डों की दो अलग-अलग परतों से गुजरना पड़ता है।
लेखकों ने पाया कि क्या वे इस "दो-चरणीय" व्यवहार को देख सकते हैं, यह इस बात पर निर्भर करता था कि दोनों मोहल्लों आपस में कैसे जुड़े हुए हैं। यदि टेंटलम-समृद्ध हिस्सा एक ठोस, जुड़ा हुआ नेटवर्क बनाता, तो वह दूसरे हिस्से को ढंक देता और उसे छिपा देता। लेकिन उनके नमूने में, दोनों चरण एक मोज़ेक पैटर्न में मिश्रित थे, जैसे कि एक पैचवर्क क्विल्ट (patchwork quilt) हो, जिससे वैज्ञानिकों को दोनों सुपरकंडक्टिंग चरणों को एक साथ काम करते हुए स्पष्ट रूप से देखने की अनुमति मिली। यह अध्ययन साबित करता है कि केवल पकाने के तापमान को बदलकर, हम इन मिश्र धातुओं की सूक्ष्म संरचना को नियंत्रित करने के लिए उनके व्यवहार को इंजीनियर कर सकते हैं। यह सुझाव देता है कि सही हीट ट्रीटमेंट के साथ, हम ऐसे सुपरकंडक्टर्स डिजाइन कर सकते हैं जो अधिक मजबूत और स्थिर हों, जो उन वोर्टिस मधुमक्खियों को अत्यधिक परिस्थितियों में भी पूरी तरह से स्थिर रख सकें।
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