Chiral Surface Phonons

प्रत्येक ठोस क्रिस्टल के भीतर, परमाणु कभी भी वास्तव में स्थिर नहीं होते हैं। नमक के एक जमे हुए ब्लॉक या धातु के एक टुकड़े में भी, परमाणु लगातार कंपन करते रहते हैं, जो एक ही स्थान पर छोटे स्प्रिंग्स की तरह हिलते-डुलते रहते हैं। वैज्ञानिक इन सामूहिक कंपनों को फोनोन (phonons) कहते हैं। हालाँकि हम अक्सर इन कंपनों को केवल पदार्थ के माध्यम से यात्रा करने वाली ऊष्मा या ध्वनि के रूप में देखते हैं, वे एक विशिष्ट प्रकार का स्पिन (घूर्णन) भी रख सकते हैं। जब क्रिस्टल में परमाणु केवल आगे-पीछे होने के बजाय एक वृत्त या दीर्घवृत्त (ellipse) में घूमते हैं, तो इस कंपन को काइरल (chiral) कहा जाता है, जिसका अर्थ है कि इसमें एक विशिष्ट 'हाथों जैसा' स्वभाव होता है, ठीक वैसे ही जैसे एक बायां हाथ दाएं हाथ से भिन्न होता है। दशकों तक, शोधकर्ताओं का मानना था कि ऐसे घूमने वाले कंपन केवल उन्हीं क्रिस्टल के भीतर मौजूद हो सकते हैं जो पहले से ही असंतुलित थे या जिनमें समरूपता का केंद्र (center of symmetry) नहीं था। यदि कोई पदार्थ अपने मुख्य रूप (bulk form) में पूरी तरह से संतुलित था, तो भौतिकी के नियम बताते थे कि कोई भी घूमने वाली गति स्वयं को रद्द कर देगी, जिससे कोई शुद्ध घूर्णन शेष नहीं बचेगा।

हालाँकि, इस समझ ने एक महत्वपूर्ण विवरण की अनदेखी की: पदार्थ का किनारा (edge)। जब किसी क्रिस्टल को सतह बनाने के लिए काटा जाता है, तो आंतरिक भाग का पूर्ण संतुलन टूट जाता है। बिल्कुल किनारे पर स्थित परमाणुओं के पास सभी दिशाओं में पड़ोसी नहीं होते हैं, और यह परिवेश परिवर्तन उनके घूमने के तरीके को बदल देता है। ईटीएच ज्यूरिख (ETH Zurich) के माइक पोल्स और निकोला ए. स्पल्डिन के एक नए अध्ययन से पता चलता है कि सतह पर यह टूटी हुई समरूपता इन घूमने वाले कंपनों को प्रकट करने के लिए पर्याप्त है, भले ही वे पदार्थ अपने केंद्र में पूरी तरह से संतुलित हों। शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके दिखाया कि सतहें इन काइरल फोनोन के एक छिपे हुए स्रोत के रूप में कार्य करती हैं, और उनकी घूमने वाली गति पदार्थ के ठीक किनारे पर सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है।

इसकी जांच करने के लिए, टीम ने रॉक साल्ट (rock salt) नामक एक सरल, अत्यधिक सममित क्रिस्टल प्रकार पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें साधारण साधारण नमक भी शामिल है। उन्होंने इस सामग्री के एक पतले स्लाइस या परत का डिजिटल मॉडल बनाया, जिसमें परमाणुओं की ग्यारह परतें थीं। इस स्लाइस के बीच में, परमाणु नमक के एक बड़े ब्लॉक की तरह व्यवहार करते हैं, इस तरह कंपन करते हैं कि वे कोई शुद्ध स्पिन (spin) उत्पन्न नहीं करते। लेकिन बिल्कुल ऊपरी और निचली परतों में, कहानी बदल जाती है। शोधकर्ताओं ने पूरे स्लाइस में परमाणुओं के कंपन की गणना की और पाया कि विशिष्ट कंपन सतह पर फंस गए। इन सतह मोड (surface modes) में, परमाणु केवल ऊपर-नीचे नहीं हुए; उन्होंने वृत्ताकार पथ बनाए। ऊपरी सतह पर, परमाणु घड़ी की दिशा (clockwise) में घूम सकते हैं, जबकि निचली सतह पर, वे घड़ी की विपरीत दिशा (counter-clockwise) में घूमे। इस वृत्ताकार गति का अर्थ है कि कंपन में कोणीय संवेग (angular momentum) होता है, जो आमतौर पर एक घूमते हुए लट्टू (spinning top) से जुड़ी एक विशेषता है।

शोधकर्ताओं ने फिर यह देखा कि जब ये घूमते हुए परमाणु चलते हैं तो क्या होता है। क्योंकि नमक के क्रिस्टल में मौजूद परमाणुओं पर विद्युत आवेश होता है, इसलिए उनकी वृत्ताकार गति एक लूप में बहने वाली सूक्ष्म विद्युत धारा के समान है। जिस तरह एक तार में करंट एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है, ये घूमते हुए परमाणु क्रिस्टल की सतह पर ठीक एक चुंबकीय क्षण (magnetic moment), यानी एक सूक्ष्म चुंबक उत्पन्न करते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि 4.0 टेराहर्ट्ज़ (terahertz) की आवृत्ति पर एक विशिष्ट कंपन के लिए, सतह पर सोडियम आयन एक वृत्त बनाते हैं, जिससे सतह के साथ एक मापने योग्य चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। 3.4 टेराहर्ट्ज़ की थोड़ी कम आवृत्ति पर, क्लोरीन आयन एक समान वृत्ताकार नृत्य करते हैं, जो एक चुंबकीय क्षेत्र भी उत्पन्न करता है। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि ऊपरी और निचली सतहें विपरीत दिशाओं में घूमती हैं, उनके द्वारा बनाए गए चुंबकीय क्षेत्र भी विपरीत दिशाओं में होते हैं, जो पूरे स्लाइस को देखने पर एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। हालाँकि, यदि कोई केवल ऊपरी सतह को अलग कर सके, तो एक विशिष्ट चुंबकीय संकेत मौजूद होगा।

अध्ययन केवल नमक तक ही सीमित नहीं रहा। शोधकर्ताओं ने अन्य सामग्रियों का परीक्षण किया यह देखने के लिए कि क्या यह घटना केवल रॉक साल्ट के लिए अद्वितीय है या यह सभी क्रिस्टल के लिए एक सामान्य नियम है। उन्होंने रुबिडियम फ्लोराइड और सीज़ियम हाइड्राइड जैसे अन्य रॉक साल्ट यौगिकों पर इसी तरह के सिमुलेशन चलाए और समान व्यवहार पाया: सतह के कंपन जो घूमते हैं और चुंबकीय क्षण उत्पन्न करते हैं। उन्होंने तांबे और ग्रेफाइट जैसी बहुत अलग संरचनाओं वाले पदार्थों को भी देखा। तांबे में, जो केवल एक प्रकार के परमाणु वाला धातु है, सतह के कंपनों ने भी एक काइरल, घूमने वाला चरित्र दिखाया। ग्रेफाइट में, जो एक स्तरित (layered) सामग्री है, सतह के परमाणुओं ने भी इस वृत्ताकार गति को प्रदर्शित किया, हालांकि परतों के बीच ढीले जुड़ाव के कारण यह प्रभाव कमजोर था। एकमात्र अंतर यह था कि तांबे और ग्रेफाइट में, क्योंकि परमाणु नमक की तरह विद्युत रूप से आवेशित नहीं थे, घूमने वाली गति ने चुंबकीय क्षण उत्पन्न नहीं किया। इसने पुष्टि की कि काइरैलिटी (chirality) स्वयं एक सार्वभौमिक विशेषता है, जबकि चुंबकीय प्रभाव सामग्री की विशिष्ट रसायन विज्ञान पर निर्भर करता है।

निष्कर्ष बताते हैं कि सभी क्रिस्टलीय सामग्रियों की सतहें संभवतः इन काइरल कंपनों की मेजबान हैं, एक ऐसी विशेषता जिसे अनदेखा किया गया है क्योंकि यह बल्क सामग्री की समरूपता द्वारा छिपी हुई है। शोधकर्ता बताते हैं कि सतह पर समरूपता का टूटना उन नियमों को हटा देता है जो सामान्य रूप से ऐसी घूमने वाली गति को वर्जित करते हैं। यह खोज हमारे द्वारा सामग्रियों को मापने के तरीके के बारे में सोचने के तरीके को बदल सकती है। यदि वैज्ञानिक ऐसी तकनीकों का उपयोग करते हैं जो सतह के प्रति संवेदनशील हैं, तो उन्हें इन घूमने वाले कंपनों और उनके संबंधित चुंबकीय क्षेत्रों को ध्यान में रखना पड़ सकता है, जो परिणामों को प्रभावित कर सकते हैं। अध्ययन पारंपरिक चुंबकों का उपयोग करने के बजाय, सतह पर विशिष्ट कंपनों को उत्तेजित करके चुंबकीय प्रभावों को उत्पन्न करने के नए तरीकों की ओर भी संकेत करता है। हालाँकि इन सिमुलेशन में उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र छोटे हैं, लेकिन यह सिद्धांत कि एक सरल क्रिस्टल की सतह घूमते हुए, चुंबकीय कंपन को धारण कर सकती है, पदार्थ के सीमाओं (boundaries) के व्यवहार में एक नया द्वार खोलता है। यह कार्य स्थापित करता है कि काइरैलिटी केवल विचित्र, असंतुलित क्रिस्टल का गुण नहीं है, बल्कि लगभग किसी भी ठोस सामग्री के किनारों की एक मौलिक विशेषता है।