Anisotropic interactions induce dynamical arrest in artificial colloidal ice
आर्टिफिशियल कोलाइडल आइस में इन-प्लेन चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से एनिसोट्रोपिक इंटरैक्शन पेश करके, शोधकर्ताओं ने खोजा कि जबकि एक सुस्पष्ट चेकरबोर्ड ग्राउंड स्टेट मौजूद है, सिस्टम स्थानीय रूप से बढ़े हुए पोटेंशियल बैरियर्स के कारण मेटास्टेबल डिसऑर्डर्ड स्टेट्स में डायनेमिकल अरेस्ट की स्थिति में चला जाता है जो कणों को साम्यावस्था तक पहुँचने से रोकते हैं।
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कल्पना कीजिए कि एक विशाल, सपाट चेकरबोर्ड (शतरंज की बिसात) है जो न दिखने वाले छोटे-छोटे कटोरे से बना है। प्रत्येक कटोरे के अंदर एक सूक्ष्म गेंद (एक कोलाइड) बैठी है। सामान्यतः, ये गेंदें गर्मी के कारण बेतरतीब ढंग से इधर-उधर उछलती रहती हैं, जैसे किसी गर्म कड़ाही में पॉपकॉर्न के दाने। लेकिन इस प्रयोग में, वैज्ञानिकों ने एक नया मोड़ दिया: उन्होंने मेज के नीचे एक चुंबक रखा।
यहाँ जो हुआ उसका विवरण सरल अवधारणाओं में दिया गया है:
1. सेटअप: "फॉलो द लीडर" का एक चुंबकीय खेल
इस प्रयोग के एक मानक संस्करण में, चुंबकीय क्षेत्र सभी गेंदों को हर दिशा में समान रूप से एक-दूसरे से दूर धकेलता है। यह एक पार्टी में मौजूद उन लोगों की तरह है जो एक-दूसरे से समान दूरी बनाए रखने की कोशिश कर रहे हैं।
लेकिन इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने चुंबक को इस तरह झुकाया कि वह चेकरबोर्ड की रेखाओं के साथ संरेखित हो गया। इसने खेल के नियम बदल दिए। अचानक, गेंदें केवल दूर नहीं हुईं; वे इस आधार पर कुछ पड़ोसियों को अपनी ओर खींचने लगीं और कुछ को धकेलने लगीं, जो इस बात पर निर्भर था कि वे कहाँ बैठी हैं।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि गेंदें हाथ पकड़कर खड़े लोग हैं। यदि आप अपने बाईं ओर खड़े किसी व्यक्ति के पास हैं, तो आप उसे गले लगाना चाहते हैं (आकर्षण)। लेकिन यदि आप अपने दाईं ओर खड़े किसी व्यक्ति के पास हैं, तो आप उसे दूर धकेलना चाहते हैं (विकर्षण)।
2. लक्ष्य: एक आदर्श "चेकरबोर्ड" पैटर्न
इन नए चुंबकीय नियमों के कारण, वैज्ञानिकों को पता था कि आदर्श व्यवस्था कैसी दिखनी चाहिए। उन्होंने गणना की कि गेंदों को एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित होना चाहिए: "सुपर-चार्ज्ड" स्थानों का एक आदर्श चेकरबोर्ड।
- लक्ष्य: प्रत्येक गेंद को एक विशिष्ट स्थान पर होना चाहिए जहाँ वह खुशी-खुशी अपने पड़ोसियों को गले लगा रही हो और सही लोगों को दूर धकेल रही हो, जिससे एक पूरी तरह से व्यवस्थित, कम ऊर्जा वाली स्थिति बन सके। इसे एक सुव्यवस्थित सेना की तरह समझें जहाँ प्रत्येक सैनिक अपने सटीक निर्धारित स्थान पर होता है।
3. समस्या: एक "ट्रैफिक जाम"
यहाँ चौंकाने वाला हिस्सा है। भले ही वैज्ञानिकों को पता था कि गेंदों को खुश रहने के लिए कहाँ जाना चाहिए, लेकिन वे वहाँ कभी पहुँच ही नहीं पाईं।
एक आदर्श पैटर्न खोजने के बजाय, सिस्टम एक अव्यवस्थित, बिखरी हुई अवस्था में फंस गया। यह जम गया।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि आप एक सुंदर, धूप वाले समुद्र तट (आदर्श अवस्था) तक जाने की कोशिश कर रहे हैं। आप जानते हैं कि वह कहाँ है। लेकिन रास्ते में, आप एक विशाल, खड़ी पहाड़ी पर पहुँच जाते हैं। आपके पास पर्याप्त ईंधन है कि आप आधे रास्ते तक जा सकें, लेकिन ऊपर चढ़ने के लिए नहीं। इसलिए, आप पहाड़ी के बीच में ही फंस जाते हैं, ऊपर-नीचे लुढ़कते रहते हैं, और समुद्र तट तक पहुँचने में असमर्थ होते हैं।
- कारण: चुंबकीय क्षेत्र ने इन "पहाड़ियों" (ऊर्जा बाधाओं) को बनाया जो बहुत ऊँची थीं जिन्हें गेंदें पार कर सकें। भले ही गेंदें आदर्श अवस्था तक पहुँचना चाहती थीं, लेकिन स्थानीय चुंबकीय बलों ने रास्ता बहुत कठिन बना दिया था।
4. विकार के बिना "जमना" (Freezing)
आमतौर पर, जब चीजें एक अव्यवस्थित अवस्था में फंस जाती हैं या "जम" जाती हैं, तो ऐसा इसलिए होता है क्योंकि वातावरण अव्यवस्थित होता है। उन कमरों के बारे में सोचें जो फर्नीचर से भरे हों जहाँ आप चल नहीं सकते क्योंकि वहाँ रैंडम कुर्सियाँ और मेजें बिखरी हुई हैं (इसे "क्वेंच्ड डिसऑर्डर" कहा जाता है)।
लेकिन इस प्रयोग में, "कमरा" (कटोरों का ग्रिड) पूरी तरह से साफ और व्यवस्थित था। वहाँ कोई यादृच्छिक बाधाएँ नहीं थीं।
- ट्विस्ट: "अव्यवस्था" कमरे में नहीं थी; यह चुंबक द्वारा बनाए गए गति के नियमों में थी। चुंबकीय क्षेत्र ने स्वयं वे "पहाड़ियाँ" बनाईं जिन्होंने गेंदों को फँसा दिया। यह एक नए प्रकार का जमना है: सिस्टम बाहर से पूरी तरह व्यवस्थित है, लेकिन कण एक अराजक अवस्था में फंसे हुए हैं क्योंकि चुंबकीय बलों ने रास्ता अवरुद्ध कर दिया है।
5. गति से ज्यादा मदद नहीं मिली
वैज्ञानिकों ने चुंबक को बहुत धीरे से हिलाकर इसे ठीक करने की कोशिश की, इस उम्मीद में कि गेंदों के पास इन पहाड़ियों के चारों ओर सावधानी से रास्ता बनाने का समय होगा।
- परिणाम: इसने थोड़ी मदद की, लेकिन पर्याप्त नहीं। घंटों इंतजार करने के बाद भी, सिस्टम एक बिखरी हुई अवस्था में ही फंसा रहा। ऐसा लग रहा था जैसे "पहाड़ियाँ" इतनी ऊँची थीं कि अनंत समय मिलने के बाद भी गेंदें रास्ता खोजने में सक्षम नहीं हो सकीं।
मुख्य निष्कर्ष
यह शोध दिखाता है कि आप कणों के बीच की अंतःक्रिया (interaction) को बदलकर एक पूरी तरह से व्यवस्थित सिस्टम में भी "जमी हुई" अव्यवस्था पैदा कर सकते हैं। कण आराम के एक स्थानीय "घाटी" में फंस जाते हैं, और उस चुंबकीय "पहाड़ी" को पार करने में असमर्थ होते हैं जो उन्हें वैश्विक (global) आदर्श अवस्था तक पहुँचा सके।
यह भीड़ के लोगों की तरह है जो जानते हैं कि निकास (exit) कहाँ है, लेकिन कमरे का चुंबकीय खिंचाव उन्हें एक दीवार से टकराते रहने पर मजबूर करता है, जिससे वे दरवाजा खोजने में असमर्थ हो जाते हैं, भले ही दरवाजा वहीं मौजूद हो। सिस्टम विकसित होना बंद कर देता है और हमेशा के लिए उस बिखरी हुई अवस्था में जम जाता है।
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