🔬 materials science

High-temperature superconductivity in Nd $_{0.85}$ Sr $_{0.15}$ NiO $_2$ membranes under pressure

डायमंड एनविल सेल में फ्रीस्टैंडिंग इनफिनिट-लेयर Nd $_{0.85}$ Sr $_{0.15}$ NiO $_2$ झिल्लियों को शामिल करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि हाइड्रोस्टेटिक दबाव ~90 GPa तक बिना संतृप्ति के एक मजबूत, रैखिक वृद्धि को प्रेरित करता है, जो तरल नाइट्रोजन तापमान के करीब पहुँच जाता है।

मूल लेखक: Yonghun Lee, Mengnan Wang, Xin Wei, Yijun Yu, Wendy L. Mao, Yu Lin, Harold Y. Hwang

प्रकाशित 2026-04-13

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: Yonghun Lee, Mengnan Wang, Xin Wei, Yijun Yu, Wendy L. Mao, Yu Lin, Harold Y. Hwang

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 आपके पास एक नन्ही, जादुई सामग्री की शीट है जो पर्याप्त ठंडी होने पर बिजली का संचालन बिना किसी प्रतिरोध के (सुपरकंडक्टिविटी/अतिचालकता) कर सकती है। वैज्ञानिकों को कुछ वर्षों से "निक्केलेट्स" (nickelates) नामक एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री में इस "जादू" के बारे में पता है, लेकिन यह केवल -250°C (17 केल्विन) जैसे बहुत कम तापमान पर काम करता है। यह बहुत ठंडा है, लेकिन "सुपर" ठंडा नहीं है।

बड़ा सवाल यह था: हमें इसे "कमरे के तापमान" (या कम से कम तरल नाइट्रोजन के तापमान) पर काम करने लायक बनाने के लिए इसे कितना अधिक ठंडा करना होगा?

आमतौर पर, वैज्ञानिक इन सामग्रियों को बेहतर बनाने के लिए उन्हें दबाने (squeeze करने) की कोशिश करते हैं। इसे एक स्पंज को दबाने जैसा समझें: कभी-कभी दबाने से स्पंज के पानी सोखने के तरीके में बदलाव आता है। परमाणुओं की दुनिया में, "दबाव डालना" (सकुंचन) इलेक्ट्रॉन्स की गति को बदल देता है, जिससे उनकी सुपरकंडक्टिंग शक्ति बढ़ सकती है।

समस्या: "सैंडविच" का जाल

पहले, वैज्ञानिकों ने इन निक्केलेट शीट्स को एक कठोर आधार (जैसे कांच या सिरेमिक का टुकड़ा) से चिपकाकर उन्हें दबाने की कोशिश की थी।

उपमा: कल्पना करें कि आप गीली मिट्टी के एक टुकड़े को दबाने की कोशिश कर रहे हैं जो एक ईंट से चिपका हुआ है। आप उसे बहुत ज़ोर से नहीं दबा सकते क्योंकि ईंट आपको रोक देती है, या मिट्टी टूट जाती है।
सीमा: जब उन्होंने उच्च दबाव लगाने की कोशिश की, तो पूरी क्षमता देखने से बहुत पहले ही वह "ईंट" (सबस्ट्रेट) उस नाजुक निक्केलेट फिल्म को तोड़ देती थी।

समाधान: "तैरती हुई शीट" (The Floating Sheet)

स्टैनफोर्ड और SLAC की टीम ने एक चतुर तरकीब निकाली। उन्होंने निक्केलेट फिल्म को फ्रीस्टैंडिंग (स्वतंत्र रूप से तैरता हुआ) बनाने का तरीका खोज निकाला।

उपमा: इसके बजाय कि मिट्टी ईंट से चिपकी हो, उन्होंने गोंद और ईंट को घोलकर हटा दिया, जिससे केवल मिट्टी की एक शीट हवा में तैरती हुई रह गई, जिसे केवल एक सूक्ष्म पॉलीमर (जैसे कि एक बहुत ही पतली, अदृश्य प्लास्टिक की परत) का सहारा मिला।
सेटअप: उन्होंने इस तैरती हुई शीट को एक डायमंड एनविल सेल (DAC) के भीतर रखा। इसे एक हाई-टेक वाइस (vise) की तरह समझें जो दो छोटे हीरों से बना है। आप इन हीरों को अत्यधिक बल के साथ आपस में दबा सकते हैं—इतना बल कि एक कार को एक क्यूब में कुचल दिया जाए, लेकिन सूक्ष्म स्तर पर।

प्रयोग: सीमा तक दबाना

उन्होंने इस तैरती हुई निक्केलेट शीट को हीरों के बीच रखा और उसे दबाना शुरू किया, जो 90 गीगापास्कल (GPa) तक गया।

संदर्भ के लिए: 90 GPa समुद्र तल पर हवा के दबाव से लगभग 900,000 गुना अधिक है। यह वह दबाव है जो पृथ्वी के कोर (केंद्र) के भीतर पाया जाता है।

परिणाम: एक रैखिक सुपर-बूस्ट (A Linear Super-Boost)

यहाँ अद्भुत हिस्सा आता है। अधिकांश सामग्रियों में, जब उन्हें इतना ज़ोर से दबाया जाता है, तो उनकी सुपरकंडक्टिविटी कुछ समय के लिए बेहतर होती है, एक शिखर (peak) पर पहुँचती है, और फिर खराब होने लगती है (जैसे एक गुब्बारा जो बहुत ज़्यादा खिंचने पर फट जाता है)।

खोज: इस निक्केलेट ने ऐसा नहीं किया। इसने अपनी गति धीमी भी नहीं की।
उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक कार को पहाड़ी पर ऊपर धकेल रहे हैं। आमतौर पर, जैसे-जैसे आप ऊपर जाते हैं, कार को धकेलना कठिन होता जाता है, और अंततः वह रुक जाती है। लेकिन इस निक्केलेट के लिए, हर बार जब उन्होंने "एक्सीलेटर" (दबाव) दबाया, तो कार बिल्कुल सीधी रेखा में तेज़ और तेज़ होती गई।
आंकड़े: दबाव की प्रत्येक इकाई के लिए, जिस तापमान पर सामग्री सुपरकंडक्टिव बनी, वह 0.65 डिग्री बढ़ गया।
- यह ~17°C (नहीं, 17 केल्विन, यानी -256°C) से शुरू हुआ।
- उच्चतम दबाव पर, यह उछलकर ~74 केल्विन (-199°C) तक पहुँच गया।
- यह प्रदर्शन में चार गुना वृद्धि है!

यह क्यों महत्वपूर्ण है

अभी कोई "छत" (Ceiling) नहीं मिली: अन्य सुपरकंडक्टर्स (जैसे कॉपर-ऑक्साइड या आयरन-आधारित) के विपरीत, जो दबाव में एक सीमा तक पहुँचते हैं और फिर खराब होने लगते हैं, यह निक्केलेट अभी भी ऊपर चढ़ रहा है। यह सुझाव देता है कि यदि हम इसे और भी अधिक दबा सकें (शायद बेहतर हीरों के साथ), तो हम इसे और भी उच्च तापमान पर काम करने लायक बना सकते हैं।
एक नया मैदान: सामग्री को "फ्रीस्टैंडिंग" बनाकर, उन्होंने अत्यधिक दबाव के तहत अन्य 2D सामग्रियों के परीक्षण करने का एक द्वार खोल दिया है बिना उनके टूटने के डर के।
सपना: सुपरकंडक्टिविटी अनुसंधान का अंतिम लक्ष्य एक ऐसी सामग्री खोजना है जो कमरे के तापमान पर काम करे। हालाँकि 74 केल्विन अभी कमरे का तापमान नहीं है, लेकिन यह प्रयोग साबित करता है कि इस सामग्री के "इंजन" में हमारी सोच से कहीं अधिक शक्ति है। यह एक ऐसे कार इंजन को खोजने जैसा है जो 200 मील प्रति घंटे की रफ्तार से चल सकता है जब सबको लगा था कि इसकी गति 50 मील प्रति घंटे पर ही सीमित है।

संक्षेप में: वैज्ञानिकों ने एक नाजुक, तैरती हुई सुपरकंडक्टिंग शीट ली, उसे हीरे की पकड़ वाले यंत्र के नीचे अत्यधिक दबाव में रखा, और पाया कि वे इसे जितना अधिक दबाते गए, यह उतना ही बेहतर होता गया, और इसके रुकने का कोई संकेत नहीं था। यह समझने की दिशा में एक बड़ा कदम है कि हम ऐसी सुपरकंडक्टर्स कैसे बना सकते हैं जो हमारी रोज़मर्रा की दुनिया में काम कर सकें।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

इन्फिनिट-लेयर निकलेट्स (infinite-layer nickelates) में सुपरकंडक्टिविटी की खोज के बाद से, शोधकर्ता उनके सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन तापमान ( $T_c$ ) की अंतर्निहित ऊपरी सीमा को समझने का प्रयास कर रहे हैं। पतली फिल्मों (thin films) में $T_c$ बढ़ाने के पिछले प्रयासों में निम्नलिखित का उपयोग किया गया:

कंप्रेसिव एपिटैक्सियल स्ट्रेन (Compressive epitaxial strain): लैटिस-मैच्ड सबस्ट्रेट्स का उपयोग करके।
केमिकल प्रेशर (Chemical pressure): दुर्लभ-पृथ्वी आयनों (जैसे समैरियम) का प्रतिस्थापन करके ताकि $c$ -अक्ष लैटिस पैरामीटर को छोटा किया जा सके।

इन विधियों ने $T_c$ को ~15 K से बढ़ाकर ~40 K तक सफलतापूर्वक पहुँचाया। हालाँकि, आगे का अनुकूलन एपिटैक्सियल स्थिरता सीमाओं (उच्च स्ट्रेन के तहत फिल्मों का फटना या खराब होना) और सबस्ट्रेट-बाउंड पतली फिल्मों पर अत्यधिक हाइड्रोस्टेटिक दबाव लगाने में असमर्थता के कारण बाधित था। पतली फिल्मों पर पिछले उच्च-दबाव अध्ययन ~12 GPa तक सीमित थे क्योंकि सबस्ट्रेट-फिल्म इंटरफेस विफल हो जाता था, जिससे उन उच्च दबावों पर सामग्री के व्यवहार की खोज नहीं हो पाती थी जहाँ $T_c$ संतृप्त (saturate) या कम हो सकता है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

सबस्ट्रेट-बाउंड फिल्मों की सीमाओं को दूर करने के लिए, लेखकों ने एक डायमंड एनविल सेल (DAC) के भीतर फ्रीस्टैंडिंग इन्फिनिट-लेयर निकलेट मेम्ब्रेन (freestanding infinite-layer nickelate membranes) का उपयोग करते हुए एक नवीन प्रायोगिक प्लेटफॉर्म विकसित किया।

नमूना संश्लेषण (Sample Synthesis): एक जल-घुलनशील बलि परत ( $Sr_2Ca_1Al_2O_6$ ) पर सुरक्षात्मक $SrTiO_3$ कैपिंग लेयर्स के साथ पल्स्ड लेजर डिपोजिशन के माध्यम से इष्टतम डोप्ड $Nd_{0.85}Sr_{0.15}NiO_2$ पतली फिल्में (~6.7 nm मोटी) विकसित की गईं।
मेम्ब्रेन रिलीज (Membrane Release): बलि परत को पानी में घोल दिया गया, जिससे एक पॉलीमर-सपोर्टेड फ्रीस्टैंडिंग मेम्ब्रेन प्राप्त हुई।
एकीकरण (Integration): मेम्ब्रेन को सीधे सबस्ट्रेट-मुक्त ज्यामिति में डायमंड कुलेट (diamond culet) पर स्थानांतरित किया गया।
विद्युत संपर्क (Electrical Contacts): एक पैटर्न वाले सस्पेंडेड सिलिकॉन नाइट्राइड स्टेंसिल मास्क का उपयोग करते हुए, लेखकों ने वैन डेर पॉ (van der Pauv) ज्यामिति में $Ti/Au$ ओमिक संपर्कों (Ohmic contacts) को बनाने के लिए क्रमिक आयन मिलिंग और इलेक्ट्रॉन-बीम इवेपोरेशन का उपयोग किया।
उच्च-दबाव सेटअप (High-Pressure Setup): नमूने को एक नॉन-मैग्नेटिक DAC में लोड किया गया जिसमें क्यूबिक बोरॉन नाइट्राइड (cBN) द्वारा इंसुलेटेड मेटल गैस्केट का उपयोग किया गया। दबाव-संचालित माध्यम (PTM) के रूप में सिलिकॉन ऑयल का उपयोग किया गया।
मापन (Measurement): विद्युत परिवहन मापन (electrical transport measurements) ~एम्बिएंट से लेकर ~91.5 GPa तक के दबाव के तहत किया गया। ऊपरी क्रिटिकल फील्ड ( $H_{c2}$ ) निर्धारित करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र निर्भरता (13 T तक) भी मापी गई।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

नवीन प्लेटफॉर्म: DAC में फ्रीस्टैंडिंग 2D निकलेट मेम्ब्रेन को एकीकृत करने की तकनीक का सफल विकास, जो सबस्ट्रेट-बाउंड फिल्मों की मैकेनिकल विफलता सीमाओं को दरकिनार करता है।
चरम दबाव पहुंच (Extreme Pressure Access): ~90 GPa तक के दबाव क्षेत्र तक पहुंच, जो पिछले पतली-फिल्म अध्ययनों की ~12 GPa की सीमा से कहीं अधिक है।
गैर-संतृप्त $T_c$ वृद्धि की खोज (Discovery of Non-Saturating $T_c$ Enhancement): यह पहला प्रमाण प्रदान करना कि इन्फिनिट-लेयर निकलेट्स चरम संपीड़न (extreme compression) के तहत विशिष्ट $T_c$ संतृप्ति या कमी प्रदर्शित नहीं करते हैं।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

रैखिक $T_c$ वृद्धि (Linear $T_c$ Enhancement): सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन तापमान ( $T_c$ ) दबाव के साथ 0.65 K GPa $^{-1}$ की दर से निरंतर और रैखिक रूप से बढ़ा।
रिकॉर्ड उच्च $T_c$ : अधिकतम मापे गए दबाव ~91.5 GPa पर, ऑनसेट $T_c$ ~74.2 K तक पहुँच गया (जहाँ शून्य-प्रतिरोध तरल नाइट्रोजन तापमान के पास होता है)।
संतृप्ति का अभाव (Absence of Saturation): क्यूप्रेट्स (cuprates), बाइलेयर निकलेट्स ( $La_3Ni_2O_7$ ), और आयरन सेलेनाइड्स के विपरीत, जो आमतौर पर $T_c$ "डोम" (ओवरडोपिंग या संरचनात्मक परिवर्तनों के कारण वृद्धि के बाद कमी) दिखाते हैं, $Nd_{0.85}Stre_{0.15}NiO_2$ मेम्ब्रेन ने 90 GPa तक संतृप्ति या गिरावट के कोई संकेत नहीं दिखाए।
सुपरकंडक्टिंग अवस्था का सुदृढ़ीकरण (Strengthening Superconducting State):
- इन-प्लेन कोहेरेंस लेंथ ( $\xi_{ab}$ ) एम्बिएंट पर ~2.39 nm से घटकर 71.8 GPa पर ~1.54 nm हो गई, जो पेयरिंग इंटरेक्शन (pairing interaction) के सुदृढ़ीकरण को दर्शाती है।
- ऊपरी क्रिटिकल फील्ड ( $H_{c2}$ ) दबाव के साथ काफी बढ़ गया।
- उच्च दबाव (>60 GPa) पर ट्रांजिशन चौड़ाई (transition width) संकीर्ण हो गई, जो यह सुझाव देती है कि दबाव बढ़ने के साथ विषमताएं (inhomogeneities) कम सीमित होती गईं।

5. महत्व (Significance)

ऊपरी सीमा को पुनर्परिभाषित करना: परिणाम बताते हैं कि इन्फिनिट-लेयर निकलेट्स में अंतर्निहित पेयरिंग स्ट्रेंथ को आश्चर्यजनक रूप से उच्च स्तर तक बढ़ाया जा सकता है, जो केवल केमिकल स्ट्रेन के माध्यम से प्राप्त ~40 K से कहीं अधिक है।
यांत्रिक अंतर्दृष्टि (Mechanistic Insight): $T_c$ की कमी का अभाव उन सैद्धांतिक मॉडलों को चुनौती देता है जो भविष्यवाणी करते हैं कि $c$ -अक्ष संपीड़न से सेल्फ-डोपिंग और ओवरडोप्ड अवस्था (जो आमतौर पर $T_c$ को कम करती है) उत्पन्न होगी। इसके बजाय, रैखिक वृद्धि यह दर्शाती कि इलेक्ट्रॉनिक संरचना चरम संपीड़न के बावजूद सुपरकंडक्टिविटी के लिए अनुकूल बनी रहती है।
व्यापक प्रयोज्यता (Broader Applicability): DAC में फ्रीस्टैंडिंग मेम्ब्रेन का उपयोग करने की तकनीक अन्य द्वि-आयामी (2D) सामग्रियों के लिए व्यापक रूप से लागू है, जो 2D सुपरकंडक्टर्स और क्वांटम सामग्रियों में उच्च-दबाव भौतिकी की खोज के नए रास्ते खोलती है।
क्यूप्रेट्स के साथ तुलना: यह व्यवहार क्यूप्रेट्स के बिल्कुल विपरीत है, जहाँ दबाव अक्सर ओवरडोपिंग और $T_c$ की कमी की ओर ले जाता है। यह सुझाव देता है कि इन्फिनिट-लेयर निकलेट्स के पास चरम लैटिस संकुचन के तहत सुपरकंडक्टिविटी को बनाए रखने के लिए एक अनूठी प्रक्रिया हो सकती है।