Observation of nonlocal ferron-drag thermoelectricity

भौतिकी की दुनिया में ऊष्मा और विद्युत पुराने मित्र हैं, जो अक्सर एक साथ चलते हैं और इंजीनियरों ने दशकों से इनका उपयोग किया है। जब किसी तार से विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो वह आमतौर पर अपने साथ ऊष्मा भी ले जाती है, जिसे पेल्टियर प्रभाव (Peltier effect) के रूप में जाना जाता है। यह प्रभाव उस स्थान पर सबसे प्रसिद्ध है जहाँ दो अलग-अलग धातुएं मिलती हैं: धारा की दिशा के आधार पर, वह विशिष्ट बिंदु या तो गर्म हो जाएगा या ठंडा। यह सिद्धांत सॉलिड-स्टेट रेफ्रिजरेटर और सटीक तापमान नियंत्रकों के पीछे का इंजन है। लंबे समय तक वैज्ञानिकों का मानना था कि यह ऊष्मा या शीतलन केवल तभी हो सकता है जब दो अलग-अलग सामग्रियां आपस में मिलें, क्योंकि वहीं पर ऊष्मा का प्रवाह बाधित या पुनर्निर्देशित होता है। यदि आप धातु के एक एकल, समान टुकड़े से धारा प्रवाहित करते, तो ऊष्मा बस बिजली के साथ बहती, और कोई भी स्थान बाकी हिस्सों की तुलना में महत्वपूर्ण रूप से गर्म या ठंडा नहीं होता।

हालाँकि, शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब कुछ ऐसा देखा है जो इस लंबे समय से चले आ रहे नियम को तोड़ता है। उन्होंने पाया कि एक पूरी तरह से समान धातु की पट्टी में भी, यदि आप उसके बगल में एक विशेष प्रकार का इंसुलेटिंग क्रिस्टल रखते हैं, तो धातु अचानक विशिष्ट बिंदुओं पर गर्म और ठंडी होने लगेगी, भले ही क्रिस्टल के माध्यम से कोई बिजली प्रवाहित न हो रही हो। हाल ही में किए गए एक अध्ययन में विस्तृत यह खोज बताती है कि ऊर्जा उन सामग्रियों के बीच कैसे स्थानांतरित हो सकती है जो पारंपरिक अर्थों में एक-दूसरे को स्पर्श नहीं करती हैं। यह इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक नए प्रकार के थर्मल प्रबंधन (thermal management) के द्वार खोलता है, जहाँ ऊष्मा को उन सामग्रियों का उपयोग करके स्थानांतरित या अवशोषित किया जा सकता है जो बिजली का संचालन बिल्कुल नहीं करती हैं।

शोधकर्ताओं ने एक प्रयोग स्थापित किया जिसमें लिथियम नियोबेट (lithium niobate) के क्रिस्टल पर प्लैटिनम की एक पतली पट्टी रखी गई, जो एक ऐसी धातु है जो बिजली का बहुत अच्छा संचालन करती है। लिथियम नियोबेट एक फेरोइलेक्ट्रिक (ferroelectric) सामग्री है, जिसका अर्थ है कि इसकी आंतरिक संरचना में एक स्थायी विद्युत ध्रुवीकरण (polarization) होता है, जैसे कि एक छोटा, अंतर्नि phép बैटरी जो कभी खत्म नहीं होती। अपने सिद्धांत का परीक्षण करने के लिए, टीम ने क्रिस्टल पर एक विशिष्ट पैटर्न बनाया। उन्होंने लिथियम नियोबेट के एक हिस्से पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड (एक इंसुलेटर) की एक पतली परत रखी, और फिर प्लैटिनम की पट्टी को इंसुलेटर और नग्न क्रिस्टल दोनों के ऊपर बिछा दिया। इसका अर्थ यह था कि प्लैटिनम का एक हिस्सा सीधे फेरोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल को छू रहा था, जबकि दूसरा हिस्सा इंसुलेटिंग परत द्वारा उससे अलग था।

जब उन्होंने प्लैटिनम स्ट्रिप के माध्यम से एक स्क्वायर-वेव अल्टरनेटिंग इलेक्ट्रिक करंट भेजा, तो उन्होंने तापमान परिवर्तन को देखने के लिए एक अत्यधिक संवेदनशील इन्फ्रारेड कैमरे का उपयोग किया। वे उस क्षण की तलाश कर रहे थे जब धारा की दिशा बदलती है, यह देखने के लिए कि क्या ऊष्मा के पैटर्न बदलते हैं। उन्हें जो मिला वह आश्चर्यजनक था। ठीक उन किनारों पर जहाँ प्लैटिनम ने फेरोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल को छूना बंद कर दिया और इंसुलेटर को छूना शुरू किया, धातु एक तरफ गर्म होने लगी और दूसरी तरफ ठंडी होने लगी। यह तब हुआ जब प्लैटिनम धातु का एक एकल, अखंड टुकड़ा था जिसमें विभिन्न सामग्रियों के बीच कोई जंक्शन नहीं था। यह प्रभाव इतना मजबूत था कि इसे स्पष्ट रूप से देखा जा सकता था, और धारा की दिशा पलटने पर यह पूरी तरह से उलट गया, जिससे पुष्टि हुई कि यह एक थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव था न कि केवल यादृच्छिक ऊष्मीय प्रभाव।

यह समझने के लिए कि यह क्यों हो रहा था, टीम को अन्य संभावनाओं को खारिज करना पड़ा। वे जानते थे कि ऊष्मा सामान्य पेल्टियर प्रभाव से नहीं आ सकती, क्योंकि इसके लिए दो अलग-अलग चालकों का मिलना आवश्यक है। उन्होंने सेटअप का क्वार्ट्ज क्रिस्टल के साथ भी परीक्षण किया, जो लिथियम नियोबेट के समान दिखता है लेकिन इसमें स्थायी विद्युत ध्रुवीकरण का अभाव है। जब उन्होंने क्वार्ट्ज का उपयोग किया, तो ऊष्मा और शीतलन के संकेत बहुत कम थे, जो कि फेरोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल में देखे गए संकेतों का केवल तेरह प्रतिशत था। इससे सिद्ध हुआ कि फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री के भीतर का विशेष विद्युत क्रम ही मुख्य घटक था। शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या प्लैटिनम की परत की मोटाई मायने रखती है। उन्हें उम्मीद थी कि जैसे-जैसे धातु मोटी होती जाएगी, प्रभाव गायब हो जाएगा, क्योंकि विद्युत क्षेत्र आमतौर पर एक बहुत कम दूरी के बाद धातु द्वारा ब्लॉक कर दिए जाते हैं। इसके विपरीत, ऊष्मा और शीतलन के संकेत तब और मजबूत हो गए जब प्लैटिनम की परत दस नैनोमीटर तक मोटी होती गई। इससे पता चला कि यह परस्पर क्रिया सतह पर नहीं हो रही है, बल्कि धातु के भीतर गहराई तक पहुँच रही है।

शोधकर्ताओं द्वारा प्रस्तावित स्पष्टीकरण एक नए प्रकार की कण परस्पर क्रिया (particle interaction) को शामिल करता है। फेरोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल के भीतर, विद्युत ध्रुवीकरण के सामूहिक कंपन होते हैं, जिन्हें टीम 'फेरॉन्स' (ferrons) कहती है। ये ध्वनि तरंगों के ठोस के माध्यम से चलने के समान हैं, लेकिन ये केवल ध्वनि के बजाय विद्युत ऊर्जा ले जाते हैं। सिद्धांत बताता है कि प्लैटिनम स्ट्रिप में चलती हुई इलेक्ट्रॉन सीधे इन फेरॉन्स को नहीं पकड़ रहे हैं। इसके बजाय, इलेक्ट्रॉन धातु के परमाणुओं को हिलाते हैं, जिससे ध्वनि तरंगें या फोनोन (phonons) उत्पन्न होते हैं। ये ध्वनि तरंगें सीमा पार करके फेरोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल में जाती हैं, जहाँ वे फेरॉन्स से टकराती हैं और उन्हें आगे धकेलती हैं। यह संवेग स्थानांतरण (momentum transfer) फेरॉन्स को खींचता है, जिससे ऊष्मा ऊर्जा का एक प्रवाह बनता है जो कुछ स्थानों पर विद्युत धारा की विपरीत दिशा में और कुछ स्थानों पर उसी दिशा में चलता है। क्योंकि यह श्रृंखला अभिक्रिया ठोस के माध्यम से यात्रा करने वाली ध्वनि तरंगों पर निर्भर करती है, इसलिए यह धातु की विद्युत क्षेत्रों को रोकने की क्षमता द्वारा बाधित नहीं होती है, जो यह समझाता है कि यह प्रभाव मोटी धातु की परतों में भी क्यों काम करता है।

टीम ने इस "फोनोन-मध्यस्थता" (phonon-mediated) विचार की पुष्टि करने के लिए प्लैटिनम को सोने (gold) से बदल दिया। सोना एक ऐसी धातु है जहाँ इलेक्ट्रॉनों और ध्वनि तरंगों के बीच की परस्पर क्रिया प्लैटिनम की तुलना में बहुत कमजोर होती है। जब उन्होंने सोने के साथ वही प्रयोग किया, तो ऊष्मा और शीतलन के संकेत लगभग गायब हो गए। यह परिणाम दृढ़ता से इस विचार का समर्थन करता है कि धातु में इलेक्ट्रॉन-ध्वनि तरंग संबंध की शक्ति ही इस प्रभाव को संचालित करती है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि क्रिस्टल में विद्युत ध्रुवीकरण की दिशा महत्वपूर्ण थी। जब उन्होंने क्रिस्टल का एक अलग कट इस्तेमाल किया जहाँ ध्रुवीकरण एक अलग दिशा में था, तो ऊष्मा और शीतलन की तीव्रता बदल गई। यह इंगित करता है कि क्रिस्टल की आंतरिक संरचना यह निर्देशित करती है कि ऊर्जा कैसे चलती है, जो सामग्री के ओरिएंटेशन को बदलकर इस प्रभाव को नियंत्रित करने का एक तरीका प्रदान करती है।

यह खोज केवल एक अजीब तापमान परिवर्तन की व्याख्या नहीं करती है; यह ऊर्जा परिवहन के एक नए चैनल को प्रकट करती है। यह दिखाता है कि धातु और इंसुलेटिंग क्रिस्टल कंपन के माध्यम से एक-दूसरे से बात कर सकते हैं, बिना किसी प्रत्यक्ष विद्युत संपर्क के ऊष्मा और संवेग का आदान-प्रदान कर सकते हैं। भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए, यह एक दोधारी तलवार हो सकती है। अत्यधिक एकीकृत सर्किट (integrated circuits) में जहाँ फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का उपयोग बाधाओं के रूप में किया जाता है, यह प्रभाव अवांछित ऊष्मीकरण या शीतलन का कारण बन सकता है जिसे इंजीनियरों को ध्यान में रखना होगा। दूसरी ओर, यह थर्मल प्रबंधन के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है। यदि वैज्ञानिक इस परस्पर क्रिया को नियंत्रित करना सीख जाते हैं, तो वे केवल इंसुलेटिंग सामग्रियों का उपयोग करके संवेदनशील घटकों से ऊष्मा को दूर पंप करने वाले उपकरण डिजाइन कर सकते हैं, जिससे अधिक ठंडे और कुशल इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम बनाए जा सकते हैं। यह कार्य इस बात का स्पष्ट प्रमाण है कि एक साधारण धातु की पट्टी में भी, पास के क्रिस्टल की उपस्थिति मौलिक रूप से ऊष्मा के प्रवाह को बदल सकती है, जो ठोस दुनिया में ऊर्जा के संचलन के भौतिकी में एक नया अध्याय खोलती है।