Observation of biased random-flux-induced topological phase transition in gyromagnetic photonic crystals
यह शोध पत्र जाइरोमैग्नेटिक फोटोनिक क्रिस्टल में एक विकार-प्रेरित (disorder-driven) टोपोलॉजिकल चरण संक्रमण के पहले प्रयोगात्मक कार्यान्वयन की रिपोर्ट करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि एक पक्षपाती यादृच्छिक-फ्लक्स वितरण (biased random-flux distribution) विपरीत चिरल एज अवस्थाओं (chiral edge states) के साथ अलग-अलग टोपोलॉजिकल चरणों के बीच संक्रमण को प्रेरित करने के लिए बल्क बैंड गैप को बंद और पुनः खोल सकता है।
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भौतिकी की दुनिया की कल्पना एक विशाल, हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ कण नागरिक हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने सोचा कि यदि आप इस शहर में पर्याप्त अराजकता डाल देंगे—जैसे कि घूमती हुई इमारतें या सड़क के नियम बदलना—तो नागरिक खो जाएंगे और हिलना-डुलना बंद कर देंगे। इसे "विकार" (disorder) कहा जाता है, और यह आमतौर पर चीजों को अस्त-व्यस्त और स्थिर बना देता है। लेकिन पिछले कुछ दशकों में, "टोपोलॉजी" नामक एक दिलचस्प नए विचार ने इसे पूरी तरह से उलट दिया है। टोपोलॉजी को किसी इमारत के आकार के रूप में नहीं, बल्कि एक पथ के आकार के रूप में सोचें। एक कॉफी मग और एक डोनट टोपोलॉजिकल रूप से एक ही हैं क्योंकि दोनों में एक छेद होता है; आप बिना फटे एक को दूसरे में बदल सकते हैं। भौतिकी में, इसका अर्थ है कि कणों के लिए कुछ विशेष पथ इतने "गाँठदार" (knotted) होते हैं कि उन्हें आसानी से तोड़ा नहीं जा सकता, भले ही उनके आसपास का शहर थोड़ा अस्त-व्यस्त हो।
आमतौर पर, इन विशेष, अटूट पथों को बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को बहुत सटीक, पूर्ण पैटर्न बनाने की आवश्यकता होती है, जैसे कि एक पूरी तरह से कोरियोग्राफ किया गया नृत्य। उन्हें अक्सर "समय-प्रतिवर्ती समरूपता" (time-reversal symmetry) नामक एक नियम को भी तोड़ना पड़ता है, जो यह सुनिश्चित करने जैसा है कि नृत्य केवल आगे की ओर चले और कभी पीछे की ओर न जाए। बड़ा सवाल वैज्ञानिकों के मन में यह था: क्या होगा यदि नृत्य का फर्श ही अस्त-व्यस्त हो? क्या आप अभी भी इन विशेष, अटूट पथों को प्राप्त कर सकते हैं यदि नृत्य के नियमों को बेतरतीब ढंग से उलट दिया जाए? जबकि हम जानते हैं कि कुछ प्रकार की अस्त-व्यवस्था वास्तव में इन विशेष पथों को बना सकती है, लेकिन किसी ने भी यह नहीं देखा था कि क्या होता है जब अराजकता विशेष रूप से उस "चुंबकीय हवा" के दिशा को उलटने से आती है जो कणों का मार्गदर्शन करती है। यह पूछने जैसा है कि क्या आप बिना कोई नया बांध बनाए, केवल उस हवा की दिशा बदलकर नदी की दिशा बदल सकते हैं जो पानी को धकेलती है।
यही वह काम है जो शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब किया है। उन्होंने धातु की छोटी छड़ों और चुंबकों से बना एक विशेष "शहर" बनाया, जिसे गाइरोमैग्नेटिक फोटोनिक क्रिस्टल कहा जाता है, ताकि यह देख सकें कि वे चुंबकों की दिशा को बेतरतीब ढंग से मिलाकर माइक्रोवेव प्रकाश के प्रवाह को कैसे नियंत्रित कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि वे वास्तव में प्रकाश को अपना व्यवहार बदलने के लिए मजबूर कर सकते थे। जब उन्होंने चुंबकों को समान रूप से मिलाया, तो विशेष पथ गायब हो गए और प्रकाश बीच में फंस गया। लेकिन जब उन्होंने मिश्रण को एक दिशा की ओर थोड़ा झुकाया, तो पथ फिर से प्रकट हो गए, लेकिन एक मोड़ के साथ: प्रकाश विपरीत दिशा में बहने लगा!
शोधकर्ताओं ने 'हेल्डन मॉडल' (Haldane model) नामक एक सैद्धांतिक मॉडल से शुरुआत की, जो एक ऐसे शहर का ब्लूप्रिंट है जहाँ "चुंबकीय हवा" (जिसे फ्लक्स कहा जाता है) कणों को एक घेरे में धकेलती है। एक आदर्श शहर में, सारी हवा एक ही दिशा में चलती है, जिससे कणों के लिए एकतरफा रास्ता बनता है। टीम ने इस शहर का एक अस्त-व्यस्त संस्करण बनाने का निर्णय लिया। उन्होंने दो प्रकार की छड़ों का उपयोग किया: एक सेट जो हवा को घड़ी की दिशा (clockwise) में धकेलता है, और दूसरा सेट जो हवा को घड़ी की विपरीत दिशा (counter-clockwise) में धकेलता है। उन्होंने इन छड़ों को अलग-अलग अनुपातों में मिलाया।
जब उनके पास ज्यादातर घड़ी की दिशा वाली छड़ें थीं, तो प्रकाश एक दिशा में एक घेरे में बह रहा था। जब उनके पास ज्यादातर घड़ी की विपरीत दिशा वाली छड़ें थीं, तो प्रकाश दूसरी दिशा में बह रहा था। लेकिन सबसे रोमांचक हिस्सा तब हुआ जब उन्होंने उन्हें ठीक 50/50 के अनुपात में मिलाया। इस पूर्ण संतुलन पर, घड़ी की दिशा वाली छड़ों की "हवा" ने घड़ी की विपरीत दिशा वाली छड़ों की "हवा" को रद्द कर दिया। परिणाम? विशेष एक-तरफा रास्ता पूरी तरह से गायब हो गया। प्रकाश रास्ता नहीं खोज सका और शहर के बीच में फंस गया, ठीक वैसे ही जैसे बिना सड़क वाली कार। इसने सिद्ध किया कि "विकार" (अराजकता) ने वास्तव में उस विशेष टोपोलॉजिकल अवस्था को नष्ट कर दिया था।
हालाँकि, जैसे ही उन्होंने एक प्रकार की छड़ को दूसरे की तुलना में थोड़ा अधिक जोड़ा, जादू वापस आ गया। प्रकाश ने फिर से एक रास्ता खोज लिया, लेकिन अब वह विपरीत दिशा में बह रहा था: पहले मामले की तुलना में। शोधकर्ताओं ने माइक्रोवेव का उपयोग करके इसे मापा और पाया कि 17.66 GHz की आवृत्ति पर, यदि मिश्रण एक तरफ 20% और दूसरी तरफ 80% था, तो प्रकाश नमूने के किनारे से चिपका रहा और घड़ी की दिशा में चला। लेकिन यदि उन्होंने मिश्रण को 80% एक तरफ और 20% दूसरी तरफ कर दिया, तो प्रकाश ने किनारे को पकड़ा और घड़ी की विपरीत दिशा में चला।
उन्होंने बिल्कुल बीच में, 50/50 के निशान पर भी जाँच की। उनके माप ने दिखाया कि "बल्क ट्रांसमिशन" (bulk transmission)—यानी नमूने के बीच से प्रकाश कितनी अच्छी तरह गुजर सकता है—लगभग शून्य तक गिर गया, जिसका अर्थ है कि ऊर्जा स्तरों के बीच का अंतर (gap) बंद हो गया था। इसने पुष्टि की कि सिस्टम ने अपनी विशेष टोपोलॉजिकल सुरक्षा खो दी थी। टीम ने प्रकाश को बिंदु-दर-बिंदु चलते हुए देखने के लिए "नियर-फील्ड मेजरमेंट" (near-field measurements) तकनीक का उपयोग किया, और उन्होंने अपनी आँखों के सामने बदलाव होते देखा।
यह प्रयोग एक बड़ी बात है क्योंकि यह दिखाता है कि आपको इन विशेष अवस्थाओं को बनाने के लिए एक पूर्ण, दोषरहित क्रिस्टल की आवश्यकता नहीं है। आप वास्तव में अव्यवस्था (disorder) का उपयोग एक उपकरण के रूपв रूप में कर सकते हैं। यह दिखाने जैसा है कि आप उत्तर बनाम दक्षिण से बहने वाली हवा के अनुपात को बदलकर नदी की दिशा बदल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि केवल अपने चुंबकों की सांद्रता (concentration) को समायोजित करके, वे सिस्टम को एक चरण संक्रमण (phase transition) के माध्यम से ले जा सकते हैं, गैप को बंद कर सकते हैं और उसे विपरीत "चिरालिटी" (handedness) के साथ फिर से खोल सकते हैं।
यह अध्ययन सुझाव देता है कि यह "बायस्ड रैंडम-फ्लक्स" (biased random-flux) बोसोनिक प्रणालियों (प्रकाश जैसे कणों से बनी प्रणालियों) को नियंत्रित करने का एक अनूठा तंत्र है। हालांकि टीम ने पहले कंप्यूटर पर सिमुलेशन किया था, उन्होंने 25 x 20 छड़ों के नमूने का उपयोग करके वास्तविक दुनिया के प्रयोगों के साथ इसकी पुष्टि की। उन्होंने पाया कि संक्रमण तब हुआ जब "नेगेटिव" फ्लक्स छड़ों की सांद्रता एक महत्वपूर्ण बिंदु, लगभग 50% को पार कर गई। इस बिंदु से पहले, सिस्टम एक प्रकार के एज स्टेट के साथ टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की तरह व्यवहार करता था; इस बिंदु के बाद, यह विपरीत एज स्टेट वाले टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की तरह व्यवहार करता था। बीच में, सटीक संतुलन पर, सिस्टम बिना किसी विशेष एज स्टेट के एक सामान्य इंसुलेटर बन गया।
यह कार्य केवल एक सिद्धांत को सिद्ध नहीं करता है; यह भविष्य के उपकरणों के निर्माण के लिए एक नया द्वार खोलता है। पूर्ण, त्रुटिहीन सामग्री बनाने के बजाय, हम ऐसी प्रणालियों को इंजीनियर कर सकते हैं जो अव्यवस्था का उपयोग अपने लाभ के लिए करती हैं। यदि हम अव्यवस्था के "बायस" (झुकाव) को नियंत्रित कर सकते हैं, तो हम केवल सामग्रियों के मिश्रण को बदलकर सूचना या ऊर्जा के प्रवाह को चालू या बंद कर सकते हैं, या यहाँ तक कि उसे उलट भी सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एक मजबूत मंच प्रदान किया है जहाँ टोपोलॉजी और विकार (disorder) एक साथ खेल सकते हैं, यह दिखाते हुए कि कभी-कभी, थोड़ी सी अराजकता ही वास्तव में कुछ वास्तव में व्यवस्थित और विशेष बनाने के लिए आवश्यक होती है।
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