🔬 materials science

Superconductivity of 30.4 K and its Reemergence under Pressure in Fe1.11Se Synthesized via Ion-exchange and De-intercalation Reaction

यह अध्ययन हाइड्रोथर्मल आयन-विनिमय के माध्यम से 30.4 K के रिकॉर्ड-उच्च सुपरकंडक्टिंग ऑनसेट तापमान वाले एक गैर-स्टोइकीओमेट्रिक Fe1.11Se सिंगल क्रिस्टल के सफल संश्लेषण की रिपोर्ट करता है, जो 11% इंटरस्टिशियल आयरन होने के बावजूद एक अद्वितीय "V"-आकार के दबाव विकास और पुन: उभरती हुई सुपरकंडक्टिंग अवस्था को प्रदर्शित करता है, जो आमतौर पर सुपरकंडक्टिविटी को दबा देता है।

मूल लेखक: Mingzhang Yang, Yuxin Ma, Qi Li, Ke Ma, Jiali Lu, Zhaolong Liu, Ruijin Sun, Tianping Ying, Mengdi Wang, Xin Chen, Changchun Zhao, Jian-gang Guo, Shifeng Jin, Xiaolong Chen

प्रकाशित 2026-02-09

📖 4 मिनट में पढ़ें☕ कॉफ़ी ब्रेक में पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Mingzhang Yang, Yuxin Ma, Qi Li, Ke Ma, Jiali Lu, Zhaolong Liu, Ruijin Sun, Tianping Ying, Mengdi Wang, Xin Chen, Changchun Zhao, Jian-gang Guo, Shifeng Jin, Xiaolong Chen

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

कल्पना कीजिए कि आयरन सेलेनाइड (FeSe) नामक एक पदार्थ एक नाजुक, बहु-परतीय सैंडविच की तरह है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यह सैंडविच ठंडा होने पर बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन (जिसे सुपरकंडक्टिविटी या अतिचालकता कहा जाता है) कर सकता है, लेकिन आमतौर पर, यह केवल -265°C (8.5 केल्विन) जैसे बेहद ठंडे तापमान पर ही काम करता है।

समस्या यह है कि यह सैंडविच अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है। यदि आप गलती से इसकी फिलिंग में लोहे का एक छोटा सा अतिरिक्त कण (लगभग 3%) डाल देते हैं, तो पूरी सुपरकंडक्टिविटी गायब हो जाती है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे एक आदर्श केक में रेत का एक दाना डाल देने से उसका टेक्सचर खराब हो जाए।

"जादुई" रेसिपी

इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने नियमों को तोड़ने का फैसला किया। उच्च ताप पर सैंडविच बनाने के बजाय (जो आमतौर पर वह "खराब" अतिरिक्त लोहा पैदा करता है), उन्होंने एक विशेष हाइड्रोथर्मल आयन-एक्सचेंज रेसिपी का उपयोग किया। इसे गर्म पानी से भरे प्रेशर कुकर में एक विशेष रासायनिक "स्वैप मीट" (वस्तुओं की अदला-बदली) की तरह समझें।

चरण 1: उन्होंने एक अलग, पहले से बने हुए सैंडविच स्ट्रक्चर के साथ शुरुआत की।
चरण 2: उन्होंने बाहरी परतों को किसी और चीज़ से बदल दिया।
चरण 3: उन्होंने सावधानीपूर्वक उन "अतिथि" सामग्रियों को हटा दिया जिन्हें उन्होंने चरण 2 में जोड़ा था।

परिणामस्वरूप, उन्होंने सैंडविच का एक नया, थोड़ा "ज़्यादा भरा हुआ" संस्करण बनाया, जिसे वे Fe1.11Se कहते हैं। इस संस्करण में परतों के बीच 11% अतिरिक्त लोहा भरा हुआ है। पुराने नियम पुस्तिका के अनुसार, इससे सुपरकंडक्टिविटी खत्म हो जानी चाहिए थी। इसके विपरीत, इसने उल्टा प्रभाव दिखाया: यह नया पदार्थ -243°C (30.4 K) पर सुपरकंडक्टिंग होने लगा। यह मूल संस्करण की तुलना में लगभग चार गुना अधिक गर्म है!

"V" आकार का आश्चर्य

सबसे रोमांचक हिस्सा तब होता है जब वैज्ञानिक इस नए पदार्थ को भौतिक दबाव (जैसे एक विशाल, सूक्ष्म शिकंजी या वाइस का उपयोग करना) के साथ दबाते हैं।

आमतौर पर, जब हम इन पदार्थों को दबाते हैं, तो सुपरकंडक्टिंग तापमान एक चिकनी पहाड़ी के आकार (एक "डोम") में ऊपर जाता है। लेकिन इस नए पदार्थ ने कुछ अजीब किया:

गिरावट (The Dip): जैसे ही उन्होंने दबाना शुरू किया, तापमान गिर गया, जो एक विशिष्ट दबाव पर अपने सबसे निचले बिंदु पर पहुँच गया।
उछाल (The Rebound): जैसे ही उन्होंने और ज़ोर से दबाया, तापमान फिर से ऊपर की ओर उछल गया, जिससे एक दूसरा, और भी ऊँचा शिखर बन गया।

यदि आप इसका ग्राफ बनाएंगे, तो यह एक "V" आकार जैसा दिखेगा। यह व्यवहार दुर्लभ है और उन अन्य जटिल आयरन-सुपरकंडक्टर्स की याद दिलाता है जिनमें "अतिथि" अणु फंसे होते हैं। ऐसा लगता है जैसे इस पदार्थ में दबाव की सीमा के बीच में एक "डेड ज़ोन" था, लेकिन फिर यह फिर से जाग उठा और अत्यधिक शक्तिशाली बन गया।

"भूतिया" चुंबक का रहस्य

उच्च दबाव वाले दूसरे क्षेत्र में इस पदार्थ को दबाते समय, वैज्ञानिकों ने देखा कि एक धुंधला संकेत दिखाई दिया जो चुंबकत्व (Magnetism) जैसा लग रहा था। यह दिलचस्प है क्योंकि मूल साधारण संस्करण में, चुंबकत्व और सुपरकंडक्टिविटी आमतौर पर एक-दूसरे से लड़ते हैं। यहाँ, वे एक अजीब से नए रूप में एक साथ मौजूद हैं।

यह क्यों मायने रखता है?

वैज्ञानिकों का मानना है कि अतिरिक्त आयरन परमाणु लाभकारी डोपेंट्स (Beneficial Dopants) के रूप में कार्य करते हैं। "बुरे कणों" के रूप में केक को खराब करने के बजाय, ये अतिरिक्त आयरन परमाणु वास्तव में इलेक्ट्रॉनों को अधिक स्वतंत्र रूप से चलने में मदद कर रहे हैं, जिससे सुपरकंडक्टिंग शक्ति बढ़ रही है।

उन्होंने यह भी पाया कि यह नया पदार्थ मेटास्टेबल (Metastable) है। इसे एक स्नोफ्लेक (हिमपात के कण) की तरह समझें: यह सुंदर और मजबूत है, लेकिन यदि आप इसे बहुत अधिक गर्म करते हैं (400°C से ऊपर), तो यह साधारण, कमजोर संस्करण में वापस पिघल जाएगा। यह बताता है कि चालाक, गैर-मानक रासायनिक तरीकों (जैसे उनकी हाइड्रोथर्मल रेसिपी) का उपयोग करके, हम ऐसे पदार्थ बना सकते हैं जो उस "स्वीट स्पॉट" में मौजूद होते हैं जिसकी प्रकृति आमतौर पर अनुमति नहीं देती।

निचोड़ (The Bottom Line)

यह शोध पत्र दिखाता है कि एक चतुर रासायनिक "स्वैप" विधि का उपयोग करके, वैज्ञानिक अतिरिक्त आयरन को एक सुपरकंडक्टर में डालने के लिए मजबूर कर सकते हैं जहाँ इसकी अनुमति आमतौर पर नहीं होती है। यह एक ऐसा पदार्थ बनाता है जो बहुत उच्च तापमान पर सुपरकंडक्ट करता है और दबाव डालने पर एक अद्वितीय "V-आकार" जैसा व्यवहार करता है। यह सरल आयरन-सुपरकंडक्टर्स और जटिल, हाई-टेक संस्करणों के बीच के अंतर को पाटता है, जो भविष्य में बेहतर सुपरकंडक्टर्स बनाने के लिए एक नया नक्शा प्रदान करता है।

तकनीकी सारांश: Fe $_{1.11}$ Se में 30.4 K की सुपरकंडक्टिविटी और दबाव के तहत इसकी पुनरावृत्ति

समस्या विवरण
उच्च-तापमान साम्यावस्था अभिक्रियाओं (high-temperature equilibrium reactions) के माध्यम से संश्लेषित स्टोइकोमेट्रिक FeSe (s-FeSe), उच्च-तापमान असामान्य सुपरकंडक्टर्स के लिए एक मूल यौगिक (parent compound) है। हालांकि, इसकी सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन टेम्परेचर ( $T_c$ ) मध्यम (8.5 K) है और इंटरस्टिशियल आयरन (Fe) के प्रति अत्यंत संवेदनशील है। केवल 3% इंटरस्टिशियल Fe की उपस्थिति भी s-FeSe में सुपरकंडक्टिविटी को पूरी तरह से दबाने के लिए पर्याप्त है। जबकि रासायनिक इंटरकैलेशन, मोनोलेयर डिपोजिशन और भौतिक दबाव जैसे गैर-साम्यावस्था (non-equilibrium) दृष्टिकोणों ने संबंधित प्रणालियों में $T_c$ को बढ़ाने में सफलता प्राप्त की है, गैर-स्टोइकोमेट्रिक बल्क क्रिस्टल में उच्च सांद्रता वाले इंटरस्टिशियल Fe की विशिष्ट भूमिका अभी भी कम खोजी गई है। विशेष रूप से, यह समझने की आवश्यकता है कि जब इंटरस्टिशियल Fe का सांद्रण संतुलन चरण आरेख (equilibrium phase diagram) की सीमाओं से अधिक हो जाता है, तो वह कैसे व्यवहार करता है और s-FeSe तथा FeSe-इंटरकैलेट्स की तुलना में एक भौतिक दबाव के प्रति ऐसी प्रणाली कैसे प्रतिक्रिया करती है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने आयन-एक्सचेंज और डी-इंटरकैलेशन वाली दो-चरणीय हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया का उपयोग करके नए गैर-स्टोइकोमेट्रिक Fe $_{1+\delta}$ Se $_{1-x}$ S $_x$ (जहाँ $x=0, 0.3, 0.6$ ) बल्क सिंगल क्रिस्टल संश्लेषित किए।

संश्लेषण: उच्च-शुद्धता वाले टेट्रागोनल FeSe को K $_{0.8}$ Fe $_2$ Se $_2$ में परिवर्तित किया गया, जिसे फिर LiOH के साथ प्रतिक्रिया कराकर (Li $_{1-y}$ Fe $_y$ )OHFeSe बनाया गया। अंत में, KOH और Fe पाउडर का उपयोग करके एक डी-इंटरकैलेशन अभिक्रिया द्वारा लक्षित Fe $_{1.11}$ Se क्रिस्टल प्राप्त किए गए।
संरचनात्मक और रासायनिक लक्षण वर्णन: क्रिस्टल संरचना और चरण शुद्धता निर्धारित करने के लिए सिंगल-क्रिस्टल एक्स-रे विवर्तन (SCXRD) और पाउडर एक्स-रे विवर्तन (PXRD) का उपयोग किया गया। इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा-एटमिक एमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (ICP-AES), एनर्जी-डिस्पर्सिव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDX), और डायनेमिक गैस कंपोजिशन विश्लेषण (QMS) ने तत्वों के अनुपात और इंटरकैलेटेड प्रजातियों की अनुपस्थिति की पुष्टि की। स्थानीय वातावरण और आयरन परमाणुओं के वैलेंस अवस्था की जांच करने के लिए 23 K पर $^{57}$ Fe मॉसबाअर स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया गया।
परिवहन और चुंबकीय माप: डायमंड एनविल सेल (DAC) का उपयोग करके परिवेशी और उच्च दबाव (लगभग 13.6 GPa तक) पर विद्युत प्रतिरोधकता ( $\rho$ ) और हॉल गुणांक ( $R_H$ ) को मापा गया। चुंबकीय गुणों को SQUID मैग्नेटोमेट्री के माध्यम से मापा गया।
सैद्धांतिक गणना: दबाव के तहत फर्मी सतह के विकास और डेंसिटी ऑफ स्टेट्स (density of states) का विश्लेषण करने के लिए डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (DFT) गणनाएं की गईं।

प्रमुख परिणाम

संश्लेषण और संरचना: इस अध्ययन ने सफलतापूर्वक Fe $_{1.11}$ Se सिंगल क्रिस्टल का संश्लेषण किया, जिसमें 11% इंटरस्टिशियल Fe आयन (Fe $_2$ ) मौजूद हैं, जो कि बाइनरी Fe-Se चरण आरेख में घुलनशीलता सीमा से काफी अधिक है। ये क्रिस्टल LiFeAs-प्रकार की संरचना (स्पेस ग्रुप $P4/nmm$) में क्रिस्टलीकृत होते हैं, जहाँ इंटरस्टिशियल Fe $_2$ आयन FeSe परतों के बीच 2c साइट को यादृच्छिक रूप से (randomly) घेरते हैं। मॉसबाअर स्पेक्ट्रोस्कोपी ने गैर-चुंबकीय इंटरस्टिशियल Fe $_2$ आयनों की उपस्थिति की पुष्टि की जिनका प्रभावी मोमेंट 4.9 $\mu_B$ है।
परिवेशी दबाव सुपरकंडक्टिविटी: s-FeSe के विपरीत, जहाँ इंटरस्टिशियल Fe सुपरकंडक्टिविटी को दबा देता है, Fe $_{1.11}$ Se में 11% इंटरस्टिशियल Fe एक सौम्य डोपेंट (benign dopant) के रूप में कार्य करता है। यह सामग्री 30.4 K का सुपरकंडक्टिंग ऑनसेट तापमान ( $T_{c,onset}$ ) प्रदर्शित करती है, जो K $_x$ Fe $_2$ Se $_2$ के तुल्य है, और एक ज़ीरो-फील्ड-कूल्ड ट्रांजिशन ( $T_{c,zero}$ ) 27.1 K प्रदर्शित करती है। यह सामग्री मजबूत फ्लक्स पिनिंग के साथ टाइप-II सुपरकंडक्टिविटी प्रदर्शित करती है।
इलेक्ट्रॉनिक गुण: हॉल माप संकेत देते हैं कि यह इलेक्ट्रॉनों के प्रभुत्व वाला एक सिंगल-बैंड मॉडल है, जिसमें इलेक्ट्रॉन सांद्रता ( $n_e$ ) $1.28 \times 10^{21}$ cm $^{-3}$ है, जो s-FeSe की तुलना में काफी अधिक है। सामान्य-अवस्था की प्रतिरोधकता नॉन-फर्मी-लिक्विड व्यवहार ( $\rho \propto T^\alpha$ जहाँ $\alpha \approx 1$ ) का पालन करती है। c-अक्ष के साथ कोहेरेंस लेंथ ( $\xi_c$ ) उल्लेखनीय रूप से छोटी (2.9 Å) है, जो तीव्र अनिसोट्रॉपी (anisotropy) को दर्शाती है।
दबाव-प्रेरित विकास: भौतिक दबाव के तहत, Fe $_{1.11}$ $_{1.11}$ Se एक अद्वितीय "V"-आकार का $T_c$ $T_{c}$ विकास प्रदर्शित करता है:
- SC-I ज़ोन: $T_c$ , 30.4 K से घटकर 2.6 GPa पर 15.4 K के न्यूनतम स्तर तक गिर जाता है।
- SC-II ज़ोन: और अधिक संपीड़न होने पर, $T_c$ पुनः सुपरकंडक्टिंग अवस्था में प्रवेश करता है, और 10.6 GPa पर 31.1 K के अधिकतम स्तर तक पहुँच जाता है।
- चुंबकीय संक्रमण: 5.5 GPa से ऊपर, प्रतिरोधकता वक्र में एक कमजोर 'किंक' (kink) एक स्ट्राइप-टाइप एंटीफेरोमैग्नेटिक (S-AFM) संक्रमण का सुझाव देता है, जो SC-II ज़ोन में सुपरकंडक्टिविटी के साथ सह-अस्तित्व में रहता है। यह संक्रमण 10.6 GPa पर 35.2 K पर चरम पर होता है।
- चरण का लुप्त होना: 13.6 GPa से ऊपर सुपरकंडक्टिविटी और चुंबकीय संक्रमण गायब हो जाते हैं, जो एक गैर-सुपरकंडक्टिंग NiAs-प्रकार के हेक्सागोनल चरण में संरचनात्मक संक्रमण के साथ मेल खाता है।
तुलनात्मक अध्ययन: Fe $_{1.11}$ Se का दबाव-निर्भर व्यवहार FeSe-इंटरकैलेट्स (जो "V"-आकार का $T_c$ और पुनरागमन सुपरकंडक्टिविटी भी दिखाते हैं) के समान है, न कि s-FeSe (जो एक सिंगल डोम और निम्न दबाव पर निरंतर $T_c$ वृद्धि दिखाता है) के। हालांकि, उच्च दबाव में चुंबकीय चरण का उदय, Fe $_{1.11}$ Se में देखे गए व्यवहार को दबाए गए (pressurized) s-FeSe में देखे गए व्यवहार को दर्शाता है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि Fe $_{1.11}$ Se का संश्लेषण यह दर्शाता है कि इंटरस्टिशियल Fe, जो साम्यावस्था s-FeSe में आमतौर पर हानिकारक होता है, एक सौम्य इलेक्ट्रॉन डोपेंट के रूप में कार्य कर सकता है जो नेमैटिसिटी (nematicity) को दबाता है और सुपरकंडक्टिविटी को बढ़ाता है जब इसे गैर-साम्यावस्था हाइड्रोथर्मल मार्गों के माध्यम से शामिल किया जाता है। "V"-आकार के $T_c$ विकास और एक बल्क गैर-स्टोइकोमेट्रिक क्रिस्टल में पुनरागमन सुपरकंडक्टिंग चरण का अवलोकन, बाइनरी s-FeSe और FeSe-इंटरकैलेट्स के व्यवहारों के बीच के अंतर को पाटता है। इसके अतिरिक्त, SC-II ज़ोन में सुपरकंडक्टिविटी के साथ दबाव-प्रेरित चुंबकीय क्रम का सह-अस्तित्व, Fe-आधारित प्रणालियों में चुंबकत्व और सुपरकंडक्टिविटी के बीच परस्पर क्रिया के बारे में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि मेटास्टेबल संश्लेषण रणनीतियाँ उच्च- $T_c$ सुपरकंडक्टर्स की खोज करने और कमजोर इंटरलेयर बलों वाले लेयर्ड पदार्थों में उभरते भौतिक गुणों को प्रेरित करने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करती हैं।

"जादुई" रेसिपी

"V" आकार का आश्चर्य

"भूतिया" चुंबक का रहस्य

यह क्यों मायने रखता है?

निचोड़ (The Bottom Line)

इसी तरह के और पेपर