Tunable chiral anomaly in electron magnetotransport in the Weyl semimetallic Pb$_{1-x}$Sn$_x$Te:Cr alloy

इलेक्ट्रॉनों की दुनिया को केवल एक ढलान से लुढ़कती हुई छोटी, उबाऊ गोलियों के रूप में नहीं, बल्कि यात्रियों के एक हलचल भरे शहर के रूप में कल्पना करें। अधिकांश सामग्रियों में, जैसे कि साधारण धातुओं या अर्धचालकों (semiconductors) में, ये यात्री भारी और अनाड़ी होते हैं। वे चीजों से टकराते हैं, थक जाते हैं और आसानी से धीमे हो जाते हैं। लेकिन "टोपोलॉजिकल इंसुलेटर" (topological insulators) नामक एक विशेष वर्ग की सामग्रियों में, नियम बदल जाते हैं। यहाँ, इलेक्ट्रॉन "द्रव्यमान रहित" (massless) हो सकते हैं, जो प्रकाश की किरणों की तरह इधर-उधर दौड़ते हैं जो कभी थकते नहीं हैं, और अदृश्य समरूपता (symmetry) की ढालों द्वारा सुरक्षित होते हैं।

अब, उस विचार को एक कदम आगे ले जाइए। क्या होगा यदि हम उस समरूपता को बस इतना तोड़ सकें कि एक "वेइल सेमीमेटल" (Weyl semimetal) बन जाए? इसे एक जादुई राजमार्ग के रूप में सोचें जहाँ इलेक्ट्रॉन "वेइल फर्मिऑन" (Weyl fermions) नामक भूतिया, द्रव्यमान रहित कणों की तरह व्यवहार करते हैं। इन कणों का एक विशेष "हाथ की बनावट" (chirality) होती है, जैसे कि एक बाएं हाथ का दस्ताना जिसे कभी दाएं हाथ के दस्ताने में नहीं बदला जा सकता। इन सामग्रियों में, यदि आप एक विद्युत क्षेत्र (electric field) के साथ इलेक्ट्रॉनों को धकेलते हैं और साथ ही उसी दिशा में एक चुंबकीय क्षेत्र (magnetic field) लागू करते हैं, तो कुछ अजीब होता है: इलेक्ट्रॉन राजमार्ग के एक तरफ से गायब होते हुए प्रतीत होते हैं और दूसरी ओर फिर से प्रकट होते हैं। यह अजीब तरकीब "काइरल विसंगति" (chiral anomaly) कहलाती है। वैज्ञानिक इन सामग्रियों को खोजने के लिए जुनूनी हैं क्योंकि ये अति-तेज, अत्यधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर ले जा सकते हैं जो ऊर्जा को गर्मी के रूप में बर्बाद नहीं करते हैं। लेकिन एक ऐसी सामग्री खोजना जो कमरे के तापमान पर इस जादुई अवस्था में बनी रहे, और जिसे हम एक रेडियो डायल की तरह ट्यून कर सकें, एक बड़ी चुनौती रही है।

यहीं से एक नए अध्ययन की कहानी शुरू होती है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने लेड (Lead), टिन (Tin) और टेल्यूरियम (Tellurium) से बनी एक विशिष्ट मिश्र धातु (alloy - Pb1–xSnxTe) के साथ प्रयोग करने का निर्णय लिया, जिसमें उन्होंने थोड़ा सा क्रोमियम (Chromium) भी काफी मात्रा में मिलाया था। इस मिश्र धातु को एक रेसिपी की तरह समझें जहाँ टिन की मात्रा एक गुप्त सामग्री है। आमतौर पर, यदि आप टिन की मात्रा बदलते हैं, तो सामग्री एक बहुत ही विशिष्ट बिंदु पर एक सामान्य इंसुलेटर से एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर में बदल जाती है, जैसे कि एक लाइट स्विच का ऑन होना। लेकिन शोधकर्ताओं को संदेह था कि यदि वे "रासायनिक विकार" (chemical disorder)—परमाणुओं को एक shaken सलाद की तरह बेतरतीब ढंग से मिला दें—का उपयोग करते हैं और क्रोमियम को इलेक्ट्रॉनों के लिए एक "ट्रैफिक पुलिस" के रूप में उपयोग करते हैं, तो वे उस एकल स्विच बिंदु को एक लंबे, ट्यूनेबल (tunable) विंडो में बदल सकते हैं।

और वे सही थे। अलग-अलग मात्रा में टिन (0% से 100% तक) के साथ बड़े क्रिस्टल उगाकर और क्रोमियम जोड़कर, उन्होंने एक "स्वीट स्पॉट" (sweet spot) खोज निकाला जहाँ सामग्री एक 3D वेइल सेमीमेटल बन जाती है। यह स्वीट स्पॉट एक एकल बिंदु नहीं है, बल्कि संरचनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला है (विशेष रूप से जब टिन की मात्रा 25% और 45% के बीच होती)। इस क्षेत्र में, इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा अंतराल (energy gap) बंद हो जाता है, और फर्मी स्तर (Fermi level)—वह ऊर्जा रेखा जहाँ इलेक्ट्रॉन रहते हैं—विशेष "वेइल नोड्स" (Weyl nodes) के ठीक बगल में स्थिर हो जाता है जहाँ जादू होता है।

टीम ने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने इसे मापा। उन्होंने मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों को लागू करते हुए इन क्रिस्टलों के माध्यम से विद्युत धारा प्रवाहित की। जब उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र को विद्युत धारा के साथ संरेखित किया, तो उन्होंने प्रतिरोध में भारी गिरावट देखी—प्रतिरोध में 75% तक की कमी! यह काइरल विसंगति का निर्णायक प्रमाण (smoking gun) है। इससे भी अधिक रोमांचक बात यह है कि एक विशिष्ट नमूने के लिए, उन्होंने देखा कि यह प्रभाव कमरे के तापमान पर हुआ, फिर यह गायब हो गया, और फिर—यह देखिए—यह और भी उच्च तापमान पर वापस आ गया। यह ऐसा था जैसे सामग्री फिर से उस जादुई अवस्था में "पुनः प्रवेश" (re-entering) कर रही हो, एक ऐसी घटना जिसे लेखक "रूम-टेम्परेचर री-एंट्रेंस ऑफ द काइरल एनोमली" कहते हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह केवल एक इत्तेफाक या माप की कोई चाल नहीं थी, उन्होंने इलेक्ट्रॉनों के क्वांटम व्यवहार को देखा। उन्होंने प्रतिरोध में लहरें (जिन्हें शुबनिकोव-डी हास ऑसिलेशन कहा जाता है) देखीं जिनसे पता चला कि इलेक्ट्रॉन केवल एक सपाट सतह पर नहीं, बल्कि 3D में घूम रहे थे। उन्होंने "बेरी कर्वेचर" (Berry curvature) को भी मापा, जो इलेक्ट्रॉन के पथ में एक प्रकार का ज्यामितीय घुमाव है जो मोमेंटम स्पेस में एक चुंबकीय मोनोपोल की तरह कार्य करता है। सुपरकंप्यूटर मॉडल पर आधारित उनके गणनाओं ने पुष्टि की कि वेइल बिंदु (जो इस जादू के स्रोत हैं) ठीक वहीं मौजूद हैं जहाँ उन्होंने भविष्यवाणी की थी, टिन की उस विशिष्ट सांद्रता सीमा के भीतर।

पेपर स्पष्ट रूप से अन्य स्पष्टीकरणों को खारिज करता है, जैसे कि प्रभाव क्रिस्टल के अंदर छोटे धातु के ढेलों के कारण हो सकता है या विद्युत क्षेत्र की साधारण विषमताओं के कारण। उन्होंने यह भी दिखाया कि यदि चुंबकीय क्षेत्र को थोड़ा सा भी झुकाया जाता है, तो यह प्रभाव गायब हो जाता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह काइरल विसंगति के लिए आवश्यक सटीक समानांतर संरेखण (parallel alignment) पर निर्भर करता है।

संक्षेप में, यह पेपर दिखाता है कि परमाणुओं को मिलाकर और क्रोमियम का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को उनकी जगह पर स्थिर करके, हम एक ट्यूनेबल वेइल सेमीमेटल बना सकते हैं जो संरचनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला में और कमरे के तापमान पर भी काम करता है। यह इन विलक्षण क्वांटम सामग्रियों को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो यह साबित करता है कि सही रेसिपी के साथ, हम क्वांटम दुनिया को अपनी इच्छा के अनुसार इंजीनियर कर सकते हैं।