🔬 mesoscale physics

Observation of flat-bottom U-shaped energy gap in high-Tc nickelate (La,Pr)3Ni2O7 thin films

अल्ट्रा-लो टेम्परेचर STM/S और ट्रांसपोर्ट मापन का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन उच्च-Tc (La,Pr)3Ni2O7 थिन फिल्मों में एक ऊर्जा-सममित, फ्लैट-बॉटम U-आकार के सुपरकंडक्टिंग गैप के पहले अवलोकन की रिपोर्ट करता है, जो एक नोडलेस गैप फंक्शन का प्रमाण प्रदान करता है और परिवेशी दबाव पर तरल नाइट्रोजन के क्वथनांक तापमान से ऊपर स्थानीय सुपरकंडक्टिविटी की क्षमता का सुझाव देता है।

मूल लेखक: Zhen Liang, Tianheng Wei, Wei Ren, Haoran Ji, Zheyuan Xie, Yanzhao Liu, Ziqiang Wang, Jian Wang

प्रकाशित 2026-05-18

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Zhen Liang, Tianheng Wei, Wei Ren, Haoran Ji, Zheyuan Xie, Yanzhao Liu, Ziqiang Wang, Jian Wang

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 आप यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन कैसे करती है, जिसे सुपरकंडक्टिविटी (अतिचालकता) नामक अवस्था कहा जाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिक केवल "निक्केलेट्स" (nickelates) नामक सामग्रियों के एक नए परिवार में अत्यधिक दबाव डालकर ही इसे प्राप्त कर सकते थे, जैसे कि एक वाइस (vise) से दबाकर स्पंज में पानी रोकने की कोशिश करना। इसने इसे अध्ययन करना बहुत कठिन बना दिया था।

हाल ही में, वैज्ञानिकों ने यह पता लगाया है कि वे इन निक्केलेट्स को सामान्य दबाव पर थोड़ा खींचकर (जैसे कि एक रबर बैंड को खींचना) सुपरकंडक्टिंग कैसे बना सकते हैं। यह शोध पत्र रिपोर्ट करता है कि शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सुपर-पॉवरफुल माइक्रोस्कोप का उपयोग करके इन खींचे हुए निक्केलेट फिल्मों के भीतर देखा और यह खोजा कि यह बिजली को संभालने के मामले में कितना आश्चर्यजनक है।

यहाँ उन्होंने क्या पाया, जिसे रोजमर्रा के उदाहरणों के साथ समझाया गया है:

1. "एनर्जी गैप" (ऊर्जा अंतराल) एक खाई की तरह है

सामान्य धातुओं में, इलेक्ट्रॉन (वे कण जो बिजली ले जाते हैं) किसी भी ऊर्जा स्तर पर स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। हालाँकि, एक सुपरकंडक्टर में, केंद्र बिंदु (जिसे फर्मी लेवल कहा जाता है) के चारों ओर एक "एनर्जी गैप" होता है। इस गैप को एक किले के चारों ओर की खाई (moat) की तरह समझें। इलेक्ट्रॉन इस खाई में मौजूद नहीं हो सकते; उन्हें या तो किले के अंदर (कम ऊर्जा) होना चाहिए या दीवारों के बाहर (उच्च ऊर्जा)।

शोधकर्ताओं ने इस खाई को मापने के लिए 'स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी' (STM) नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि इस निक्केलेट सामग्री में, खाई तल के साथ U-आकार की और एक सपाट तल वाली है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका मतलब है कि खाई का बिल्कुल निचला हिस्सा पूरी तरह खाली है—वहाँ कोई इलेक्ट्रॉन छिपा हुआ नहीं है। यह सुझाव देता है कि सुपरकंडक्टिविटी "नोडलेस" (nodeless) है, जिसका अर्थ है कि यह मजबूत और एकसमान है, अन्य सुपरकंडक्टर्स के विपरीत जहाँ खाई में छेद (नोड्स) होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को लीक होने देते हैं।

2. खाई बहुत बड़ी है

इस खाई (एनर्जी गैप) का आकार लगभग 41.6 meV मापा गया। संदर्भ के लिए, यह एक सुपरकंडक्टर के लिए असाधारण रूप से बड़ा अंतराल है। यह ऐसा है जैसे आपको एक ऐसी खाई मिले जो केवल एक छोटी सी नाली नहीं, बल्कि एक चौड़ी, गहरी घाटी है। यह बड़ा अंतराल संकेत देता है कि यह सामग्री वर्तमान में दिखने वाले बल्क मटेरियल की तुलना में बहुत उच्च तापमान पर सुपरकंडक्टिंग होने में सक्षम हो सकती है।

3. तापमान के साथ खाई का आकार बदल जाता है

यहीं पर चीजें अजीब और "अनकन्वेंशनल" (गैर-पारंपरिक) हो जाती हैं। शोधकर्ताओं ने सामग्री को थोड़ा गर्म किया (परम शून्य से लेकर लगभग 10 डिग्री सेल्सियस ऊपर तक)।

बहुत ठंडे तापमान पर: खाई एक पूर्ण, सपाट तल वाली U-आकार की है।
जैसे-जैसे यह गर्म होती है: U का निचला हिस्सा पानी (इलेक्ट्रॉन) से भर जाता है, और इसका आकार बदलकर V-आकार का हो जाता है।

यह अजीब है क्योंकि आमतौर पर, जैसे-जैसे आप किसी सुपरकंडक्टर को गर्म करते हैं, खाई बस छोटी होती जाती है और गायब हो जाती है। यहाँ, आकार मौलिक रूप से बदल जाता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि ऐसा इसलिए हो सकता है क्योंकि सामग्री छोटे, अव्यवस्थित पैच (disordered patches) से बनी है। बहुत कम तापमान पर, ये पैच मिलकर एक मजबूत, एकीकृत U-आकार की खाई बनाते हैं। जैसे-जैसे यह गर्म होता है, पैच के बीच का संबंध कमजोर होता जाता है, और आप व्यक्तिगत पैच की V-आकार की खाई देखने लगते हैं।

4. चुंबकीय क्षेत्र खाई को सिकोड़ देता है

यह साबित करने के लिए कि यह खाई वास्तव में सुपरकंडक्टिविटी के कारण थी न कि किसी अन्य प्रभाव के कारण, टीम ने एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र (14 टेस्ला, जो अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली है) लागू किया। चुंबकीय क्षेत्र ने एक बुलडोजर की तरह काम किया, खाई में धंस गया और उसे छोटा कर दिया। यह बिल्कुल वही है जिसकी आप एक सुपरकंडक्टिंग गैप से उम्मीद करते हैं, जो पुष्टि करता है कि U-आकार वास्तव में सुपरकंडक्टिविटी का एक संकेत है।

5. उच्च तापमान का एक संकेत

इस शोध पत्र का सबसे रोमांचक हिस्सा इस खाई के आकार पर आधारित एक गणना है। सुपरकंडक्टिविटी में, ऊर्जा अंतराल के आकार और उस तापमान के बीच एक संबंध होता है जिस पर सामग्री सुपरकंडक्टर होना बंद कर देती है (क्रिटिकल टेम्परेचर या $T_c$ )।

यह सामग्री वर्तमान में लगभग 40–48 केल्विन (बहुत ठंडा) पर सुपरकंडक्टिंग होना बंद कर देती है।
हालाँकि, उनके द्वारा मापा गया गैप इतना बड़ा है कि, यदि आप मानक सूत्रों का उपयोग करें, तो यह सुझाव देता है कि यह सामग्री सैद्धांतिक रूप से लगभग 107 केल्विन पर सुपरकंडक्ट कर सकती है।

107 केल्विन, लिक्विड नाइट्रोजन (77 केल्विन) के क्वथनांक से ऊपर है। लिक्विड नाइट्रोजन सस्ता और उपयोग में आसान है, जबकि कम तापमान के लिए आवश्यक लिक्विड हीलियम महंगा होता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि माइक्रोस्कोप के लिए सतह को तैयार करने के तरीके ने स्थानीय रूप से सामग्री को इस उच्च क्षमता को दिखाने के लिए "ट्यून" किया होगा, जो संकेत देता है कि निक्केलेट्स भविष्य में व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए उच्च तापमान पर सुपरकंडक्टिविटी के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

सारांश में

वैज्ञानिकों ने एक नए प्रकार की सुपरकंडक्टिंग सामग्री के भीतर देखा और पाया कि एक आश्चर्यजनक रूप से बड़ा, U-आकार का ऊर्जा अवरोध (energy barrier) है जो सुपरकंडक्टिंग अवस्था की रक्षा करता है। यह अवरोध गर्म होने पर अपना आकार बदल लेता है और चुंबकीय क्षेत्रों के तहत सिकुड़ जाता है, जो एक वास्तविक सुपरकंडक्टिंग गैप की पुष्टि करता है। इस गैप का आकार बताता है कि इन सामग्रियों में लिक्विड नाइट्रोजन का उपयोग करके ठंडा किए जाने वाले उच्च तापमान पर सुपरकंडक्ट होने की क्षमता हो सकती है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक बड़ा कदम होगा।

तकनीकी सारांश: उच्च- $T_c$ निकलेट $(La,Pr)_3Ni_2O_7$ पतली फिल्मों में फ्लैट-बॉटम U-आकार के ऊर्जा अंतराल का अवलोकन

समस्या और संदर्भ
रडल्सडेन-पोपर (R-P) बाइलेयर निकलेट्स, विशेष रूप से $La_3Ni_2O_7$ में उच्च-संक्रमण तापमान ( $T_c$ ) वाली सुपरकंडक्टिविटी की खोज ने उन्हें एक नवीन अनकन्वेंशनल सुपरकंडक्टर परिवार के रूप में स्थापित किया है। हालांकि, उच्च-दबाव की आवश्यकता प्रयोगात्मक सुलभता और संभावित अनुप्रयोगों को गंभीर रूप से सीमित करती है। हाल ही में सब्सट्रेट से संपीड़ित स्ट्रेन (compressive strain) द्वारा प्रेरित R-P बाइलेयर निकलेट पतली फिल्मों में परिवेशी-दबाव (ambient-pressure) सुपरकंडक्टिविटी की प्राप्ति ने मानक प्रयोगात्मक उपकरणों के उपयोग को सक्षम बनाया है। यह कार्य इन परिवेशी-दबाव फिल्मों के इलेक्ट्रॉनिक संरचना और सुपरकंडक्टिंग गैप के लक्षण वर्णन की आवश्यकता को संबोधित करता है, जिसके लिए स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी/स्पेक्ट्रोस्कोपी (STM/S) का उपयोग किया गया है—एक ऐसी तकनीक जो क्यूप्रेट्स और आयरन-आधारित सुपरकंडक्टर्स के लिए व्यापक रूप से उपयोग की जाती है, लेकिन इस विशिष्ट प्रणाली में इस तरह से पहले कभी लागू नहीं की गई थी।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने $(001)$ -ओरिएंटेड $SrLaAlO_4$ सब्सट्रेट्स पर जाइंट-ऑक्सीडेटिव एटॉमिक लेयर-बाय-लेयर एपिटैक्सी (GAE) के माध्यम से विकसित तीन-यूनिट-सेल मोटी $(La,Pr)_3Ni_2O_7$ पतली फिल्मों का अध्ययन किया। La:Pr अनुपात लगभग 1.95:1.05 था।

ट्रांसपोर्ट माप: STM/S प्रयोगों से पहले और बाद में सुपरकंडक्टिंग व्यवहार की पुष्टि करने के लिए मानक चार-प्रोब विधि का उपयोग करके इलेक्ट्रिकल ट्रांसपोर्ट माप किए गए।
सतह की तैयारी: स्थानांतरण के दौरान वायु संपर्क के कारण उत्पन्न सतह की खुरदरापन के कारण, नमूने की सतह को स्थानीय रूप से STM टिप को नमूने की ओर कुछ नैनोमीटर (~8 nm) धकेलकर और जल्दी से पीछे खींचकर रिफ्रेश किया गया।
STM/S माप: आधार तापमान 70 mK से नीचे के अल्ट्रा-लो टेम्परेचर STM/S प्रयोग किए गए। लॉक-इन तकनीक का उपयोग करके टनलिंग स्पेक्ट्रा प्राप्त किए गए। मापों में शामिल थे:
- 60 mK से 45 K तक तापमान निर्भरता अध्ययन।
- नमूने की सतह के लंबवत 14 T का क्षेत्र लागू करते हुए चुंबकीय क्षेत्र निर्भरता अध्ययन।
- विषमता (homogeneity) का आकलन करने के लिए विभिन्न क्षेत्रों में स्थानिक मैपिंग।
डेटा विश्लेषण: लेखकों ने गैप आकार ( $\Delta$ ) और कोहेरेंस पीक संरचनाओं को निर्धारित करने के लिए डिफरेंशियल कंडक्टेंस ($dI/dV$) स्पेक्ट्रा का विश्लेषण किया। उन्होंने थर्मल प्रभावों से आंतरिक स्पेक्ट्रल विकास को अलग करने के लिए लो-टेम्परेचर स्पेक्ट्रा का थर्मल ब्रॉडनिंग फंक्शन के साथ संख्यात्मक कन्वोल्यूशन (numerical convolution) भी किया।

प्रमुख योगदान और परिणाम

एक नोडल-रहित (Nodeless) सुपरकंडक्टिंग गैप का अवलोकन:
- अध्ययन $(La,Pr)_3Ni_2O_7$ पतली फिल्मों में कोहेरेंस पीक संरचनाओं के साथ एक ऊर्जा-सममित, फ्लैट-बॉटम U-आकार के ऊर्जा गैप के पहले सफल अवलोकन की रिपोर्ट करता है।
- गैप आकार ( $\Delta$ ), जिसे कोहेरेंस पीक्स के बीच की दूरी के आधे के रूप में परिभाषित किया गया है, लगभग 41.6 meV है।
- अल्ट्रा-लो तापमान (60 mK) पर, फर्मी स्तर के आसपास स्पेक्ट्रल वेट पूरी तरह से दबा दिया जाता है, जो शून्य अवशिष्ट घनत्व (zero residual density of states) को दर्शाता है और एक नोडल-रहित गैप फंक्शन का सुझाव देता है।
ट्रांसपोर्ट डेटा के साथ निरंतरता:
- उसी नमूनों पर ट्रांसपोर्ट मापों ने 40 K से ऊपर (विशेष रूप से दो मापों में 46.3 K और 48.4 K) एक ऑनसेट $T_c$ और 20 K से ऊपर (21.7 K और 23.0 K) एक ज़ीरो-रेसिस्टेंस $T_c$ का खुलासा किया।
- STM/S प्रयोगों के बाद भी सुपरकंडक्टिंग अवस्था बनी रही, जो नमूने की स्थिरता की पुष्टि करती है।
चुंबकीय क्षेत्र निर्भरता:
- नमूने की सतह के लंबवत 14 T के चुंबकीय क्षेत्र के तहत, U-आकार का गैप स्ट्रक्चर बना रहा लेकिन औसत ऊर्जा गैप शून्य-क्षेत्र मामले की तुलना में स्पष्ट रूप से कम हो गया।
- यह दमन एक उच्च- $T_c$ सुपरकंडक्टर के सुपरकंडक्टिंग गैप के व्यवहार के अनुरूप है जिसका क्रिटिकल फील्ड बड़ा होता है।
असामान्य तापमान विकास:
- जैसे-जैसे तापमान 60 mK से बढ़कर 10 K हुआ, U-आकार का गैप तेजी से भर गया और कोहेरेंस पीक्स दब गईं।
- 10 K के ऊपर, गैप एक V-आकार की संरचना में विकसित हो गया जिसमें फर्मी स्तर पर गैर-शून्य घनत्व (non-zero density of states) था।
- लेखकों ने थर्मल ब्रॉडनिंग के कारण इस विकास को खारिज करने के लिए प्रयोगात्मक डेटा की संख्यात्मक कन्वोल्यूटेड स्पेक्ट्रा के साथ तुलना की, जिससे पता चला कि बड़े गैप आकार को देखते हुए थर्मल प्रभाव न्यूनतम हैं।
- यह विकास एक वैश्विक नोडल-रहित s-वेव जैसी पेयरिंग सिमेट्री (कम तापमान पर) से उच्च तापमान पर एक नोडल d-वेव जैसे चरित्र में परिवर्तन का सुझाव देता है, जो संभवतः विस्क्रीट (disordered) d-वेव सुपरकंडक्टिंग ग्रेन्स के बीच कमजोर जोसेफसन कपलिंग के कारण हो सकता है।
वैकल्पिक मूल का बहिष्कार:
- लेखक तर्क देते हैं कि गैप एक कूलम्ब ब्लॉकेड प्रभाव (ऊर्जा समरूपता और तापमान निर्भरता के कारण) या एक ट्रिवियल बैंड गैप (तापमान संवेदनशीलता के कारण) नहीं है।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि देखा गया U-आकार का गैप एक सुपरकंडक्टिंग गैप के अनुरूप है, जो परिवेशी-दबाव बाइलेयर निकलेट पतली फिल्मों में सुपरकंडक्टिविटी के प्रत्यक्ष स्पेक्ट्रोस्कोपिक साक्ष्य प्रदान करता है।

उच्च $T_c$ की क्षमता: लेखक नोट करते हैं कि बड़ा गैप आकार ( $\Delta \approx 41.6$ meV) अभूतपूर्व है। यदि अनुपात $2\Delta/k_B T_c$ उच्च- $T_c$ क्यूप्रेट्स (लगभग 9) के तुल्य है, तो देखा गया गैप लगभग 107 K की $T_c$ के अनुरूप होगा, जो तरल नाइट्रोजन के क्वथनांक (77 K) से ऊपर है।
स्थानीय बनाम वैश्विक गुण: लेखक सुझाव देते हैं कि टिप ट्रीटमेंट ने स्थानीय रूप से जालक स्थिरांक (lattice constant) को बदल दिया होगा, जिससे संभावित रूप से एक बड़ा स्थानीय गैप और उच्च "स्थानीय $T_c$ " उत्पन्न हुआ होगा जो वैश्विक $T_c$ (ट्रांसपोर्ट द्वारा मापा गया) से अधिक है।
स्ट्रॉन्ग कपलिंग: यदि गैप ट्रांसपोर्ट ऑनसेट $T_c$ के अनुरूप है, तो $2\Delta/k_B T_c$ अनुपात लगभग 20 होगा, जो इस प्रणाली को गहरे स्ट्रॉन्ग-कपलिंग शासन में रखता है, जो आयरन-आधारित सुपरकंडक्टर्स और अधिकांश क्यूप्रेट्स के विशिष्ट मानों से कहीं अधिक है।
तंत्र अंतर्दृष्टि: निष्कर्षों से उच्च- $T_c$ सुपरकंडक्टिविटी में निकलेट्स के पेयरिंग मैकेनिज्म के बारे में नई अंतर्दृष्टि मिलती है, जो यह सुझाव देती है कि $\gamma$ बैंड (Ni-3 $d_{z^2}$ ऑर्बिटल्स से व्युत्पन्न) एक प्रमुख भूमिका निभा सकता है, जैसा कि उच्च-दबाव वाले बल्क समकक्षों में होता है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि उनके निष्कर्ष परिवेशी-दबाव पर तरल नाइट्रोजन क्वथनांक से ऊपर सुपरकंडक्टिविटी प्राप्त करने की क्षमता वाले R-P बाइलेवर निकलेट पतली फिल्मों की क्षमता के लिए उत्साहजनक संकेत प्रदान करते हैं, जबकि वे स्वीकार करते हैं कि गैप के सुपरकंडक्टिंग मूल की स्पष्ट रूप से पुष्टि करने के लिए आगे के प्रयोगों (जैसे जोसेफसन टनलिंग, वोर्टेक्स लैटिस विज़ुअलाइज़ेशन) की आवश्यकता है।