Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

समतुल्यता (Symmetry) भौतिक दुनिया का एक छिपा हुआ व्याकरण है, नियमों का एक समूह जो यह निर्धारित करता है कि पदार्थ कैसे व्यवहार करता है और ऊर्जा कैसे चलती है। क्वांटम भौतिकी के क्षेत्र में, जहाँ कण ठोस वस्तुओं के बजाय तरंगों की तरह कार्य करते हैं, ये नियम विशेष रूप से सख्त होते हैं। वैज्ञानिक अक्सर इन समतुल्यताओं को तोड़ने के तरीके खोजते हैं ताकि नए पदार्थ की अवस्थाएँ बनाई जा सकें या ऐसे उपकरण बनाए जा सकें जो असामान्य तरीकों से व्यवहार करते हों। अध्ययन के सबसे आकर्षक क्षेत्रों में से एक सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक) से संबंधित है, जो ऐसे पदार्थ हैं जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करते हैं। जब दो अतिचालकों को एक पतली बाधा (barrier) द्वारा अलग किया जाता है, तो वे अभी भी एक-दूसरे से "बात" कर सकते हैं, जिससे गैप के पार करंट प्रवाहित होने देता है बिना किसी बैटरी के। यह प्रवाह, जिसे सुपरकरंट (supercurrent) कहा जाता है, चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होता है। एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, शोधकर्ता इस करंट को स्वयं के साथ हस्तक्षेप (interfere) करने के लिए प्रेरित कर सकते हैं, जिससे चोटियों और घाटियों (peaks and valleys) का एक पैटर्न बनता है, जो तालाब में दो पत्थर फेंकने पर बनने वाली लहरों के समान है। इन पैटर्नों को नियंत्रित करने का तरीका समझने से वैज्ञानिकों को विशिष्ट, उपयोगी गुणों वाले क्वांटम उपकरण इंजीनियर करने की अनुमति मिलती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन हस्तक्षेप पैटर्नों (interference patterns) को केवल एक चुंबकीय क्षेत्र को घुमाकर चालू और बंद करने, और उनका आकार बदलने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। प्लैटिनम टेल्यूराइडड नामक सामग्री की एक पतली परत के साथ काम करते हुए, जिसे दो सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रोड के बीच सैंडविच किया गया था, उन्होंने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र की दिशा विद्युत धारा के सापेक्ष एक 'मास्टर स्विच' के रूप में कार्य करती है। जब चुंबकीय क्षेत्र एक विशिष्ट दिशा में लगाया जाता है, तो हस्तक्षेप पैटर्न असंतुलित हो जाता है, जिसमें लहर के पैटर्न का एक तरफ का हिस्सा दूसरे की तुलना में बहुत बड़ा होता है। हालाँकि, यदि वे क्षेत्र को नब्बे डिग्री घुमाते हैं, तो पैटर्न वापस एक पूर्ण, सममित (symmetrical) आकार में आ जाता है, भले ही चुंबकीय क्षेत्र अभी भी मजबूत हो। टूटी हुई समतुल्यता और बहाल की गई समतुल्यता के बीच स्विच करने की यह क्षमता क्वांटम परिवहन (quantum transport) को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदान करती है, जिससे चुंबकीय क्षेत्र की ज्यामिति को उपकरण के व्यवहार को पुनर्गठित करने के उपकरण में बदल दिया जाता है।

यह प्रयोग एक प्रयोगशाला में आयोजित किया गया था जिसे परम शून्य तापमान से ठीक ऊपर, लगभग 50 मिलीकेल्विन तक ठंडा किया गया था, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि नाजुक क्वांटम प्रभाव दृश्य बने रहें। शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण का निर्माण प्लैटिनम टेल्यूराइड के एक टुकड़े का उपयोग करके किया था जो 20 से 40 नैनोमीटर मोटा था। उन्होंने इस फ्लेक के दोनों ओर नियोबियम-टाइटेनियम से बने सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रोड जोड़े, जिससे एक जंक्शन बना जहाँ सुपरकरंट प्रवाहित हो सके। सिस्टम की जांच करने के लिए, उन्होंने एक चुंबकीय क्षेत्र लगाया जिसमें दो घटक थे: एक जो उपकरण के माध्यम से सीधा ऊपर की ओर था और दूसरा जो सामग्री के तल (plane) के भीतर समानांतर था। इस तल वाले चुंबकीय क्षेत्र के कोण को करंट के सापेक्ष बदलकर, वे देख सके कि हस्तक्षेप पैटर्न कैसे विकसित होता है।

जब कोई तल वाला चुंबकीय क्षेत्र नहीं था, तो उपकरण अपेक्षित व्यवहार करता था, जो एक क्लासिक, सममित पैटर्न उत्पन्न करता था जिसे फ्रौनहोफर पैटर्न (Fraunhofer pattern) कहा जाता है। इस पैटर्न में एक बड़ा केंद्रीय शिखर (peak) और दोनों ओर छोटे, समान रूप से व्यवस्थित शिखर होते हैं, जो यह संकेत देते हैं कि सुपरकरंट जंक्शन के माध्यम से समान रूप से बह रहा था। लेकिन जैसे ही उन्होंने करंट के समानांतर एक तल वाला चुंबकीय क्षेत्र पेश किया, समतुल्यता गायब हो गई। पैटर्न अत्यधिक विकृत हो गया, जिसमें केंद्रीय अधिकतम के एक तरफ के शिखर सिकुड़ गए जबकि दूसरी तरफ के शिखर बढ़ गए। यह विषमता इतनी स्पष्ट थी कि यह ऐसा लग रहा था जैसे इसका दर्पण प्रतिबिंब उलट दिया गया हो। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रभाव यादृच्छिक (random) नहीं था; यह पूरी तरह से करंट और चुंबकीय क्षेत्र के बीच के कोण पर निर्भर था। जब क्षेत्र करंट के समानांतर था, तो विरूपण सबसे अधिक था। जब उन्होंने क्षेत्र को करंट के लंबवत (perpendicular) घुमाया, तो पैटर्न तुरंत अपनी मूल, सममित अवस्था में वापस आ गया।

यह समझने के लिए कि यह क्यों हो रहा था, टीम ने उपकरण के भीतर हो रही घटनाओं का एक सूक्ष्म मॉडल विकसित किया। वे समझ गए कि सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रोड केवल निष्क्रिय दीवारें नहीं थे; वे गुजरने वाले चुंबकीय क्षेत्र की रेखाओं को सक्रिय रूप से नया आकार देते थे। मेइसनर प्रभाव (Meissner effect) नामक एक गुण के कारण, जो सुपरकंडक्टर्स को चुंबकीय क्षेत्रों को बाहर निकालने के लिए मजबूर करता है, फ्लैट चुंबकीय क्षेत्र की रेखाओं को इलेक्ट्रोड्स के किनारों के पास मुड़ने के लिए मजबूर होना पड़ा। इस मुड़ने से छोटे, स्थानीयकृत क्षेत्र बने जहाँ चुंबकीय क्षेत्र एक स्थान पर ऊपर और दूसरे स्थान पर नीचे की ओर था, जिससे प्रभावी रूप से सुपरकंडक्टर और सामान्य सामग्री के बीच के इंटरफेस पर एक चुंबकीय द्विध्रुव (magnetic dipole) बन गया।

ये सूक्ष्म चुंबकीय द्विध्रुव अदृश्य हाथों की तरह कार्य करते थे, जो जंक्शन के माध्यम से बहने वाले इलेक्ट्रॉनों के पथों को धकेलते और खींचते थे। एक आदर्श, दोषरहित सामग्री में, ये धक्के रद्द हो जाते। हालाँकि, वास्तविक सामग्रियों में हमेशा कुछ विकार (disorder) होता है—परमाणु संरचना में सूक्ष्म खामियाँ जो इलेक्ट्रॉनों को बिखेर देती हैं। इस विकार के कारण, इलेक्ट्रॉन जंक्शन के माध्यम से अलग-अलग, घुमावदार पथ लेते थे। कुछ पथों ने चुंबकीय द्विध्रुव के "ऊपर" वाले हिस्से का अनुभव किया, जबकि अन्य ने "नीचे" वाले हिस्से का। जब शोधकर्ताओं ने मुख्य चुंबकीय क्षेत्र की दिशा को उलट दिया, तो इन विभिन्न पथों पर मौजूद इलेक्ट्रॉनों ने एक अलग शुद्ध धक्के का अनुभव किया, जिससे हस्तक्षेप पैटर्न शिफ्ट हो गया और विषम हो गया। इस प्रभाव की ताकत इस बात पर निर्भर थी कि तल वाला चुंबकीय क्षेत्र किस ओर उन्मुख था। जब क्षेत्र करंट के समानांतर था, तो क्षेत्र की रेखाओं का मुड़ना अधिकतम था, जिससे मजबूत द्विध्रुव बने और हस्तक्षेप पैटर्न को अस्त-व्यस्त कर दिया। जब क्षेत्र लंबवत था, तो मुड़ाव न्यूनतम था, द्विध्रुव गायब हो गए और समतुल्यता बहाल हो गई।

शोधकर्ता अन्य संभावित स्पष्टीकरणों को खारिज करने के लिए सावधान रहे। उन्होंने विचार किया कि क्या सामग्री में स्वयं का कोई अंतर्निहित गुण था जो एक दिशा को दूसरी दिशा की तुलना में प्राथमिकता देता है, लेकिन उनके प्रयोगों ने दिखाया कि प्रभाव उपकरण के साथ घूमता था, न कि सामग्री की क्रिस्टल संरचना के साथ। उन्होंने उपकरण का विभिन्न लंबाई और ओरिएंटेशन के साथ परीक्षण किया, और व्यवहार सुसंगत रहा, जिससे पुष्टि हुई कि घटना चुंबकीय क्षेत्र और करंट की ज्यामिति द्वारा संचालित थी, न कि नमूने की किसी विशिष्ट खामी द्वारा। इसके अलावा, उन्होंने सिस्टम को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिसमें विकार और चुंबकीय क्षेत्र फोकसिंग के प्रभावों को शामिल किया गया। इन सिमुलेशन ने प्रयोगात्मक परिणामों को पूरी तरह से दोहराया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि मुड़ी हुई चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं और इलेक्ट्रॉनों के विक्षेपित पथों के बीच का परस्पर प्रभाव ही इसका कारण था।

यह खोज एक नए प्रकार के नियंत्रणीय क्वांटम उपकरण की स्थापना करती है। केवल एक चुंबकीय क्षेत्र को घुमाकर, वैज्ञानिक अब एक सुपरकंडक्टिंग जंक्शन को ऐसी अवस्था में स्विच कर सकते हैं जहाँ समतुल्यता टूटी हुई होती है और ऐसी अवस्था में जहाँ वह बहाल होती है। यह केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह क्वांटम परिवहन की समतुल्यता को इंजीनियर करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करता है। चुंबकीय क्षेत्र के ओरिएंटेशन को बदलकर यह चुनने की क्षमता कि कौन सी समतुल्यता प्रक्रिया का परीक्षण किया जा रहा है, नए प्रकार के सेंसर और स्विच के द्वार खोलती है। उदाहरण के लिए, उपकरण का उपयोग उच्च सटीकता के साथ चुंबकीय क्षेत्र के ओरिएंटेशन का पता लगाने के लिए या उन पथों की मैपिंग के लिए किया जा सकता है जिनसे सुपरकरंट सामग्री के माध्यम से गुजरता है। यह कार्य दर्शाता है कि कैसे विकार को, जिसे अक्सर क्वांटम प्रणालियों में एक बाधा माना जाता है, सही चुंबकीय वातावरण के साथ जोड़कर एक विशेषता के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

निष्कर्ष बताते हैं कि इन उपकरणों का व्यवहार चुंबकीय क्षेत्र की फ्लक्स को केंद्रित करने की क्षमता और सामग्री की आंतरिक संरचना की यादृच्छिक प्रकृति के बीच एक नाजुक संतुलन द्वारा शासित होता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह प्रभाव लगभग 70 मिलीटेस्ला की चुंबकीय क्षेत्र शक्ति तक बना रहता है, जो इतने नाजुक क्वांटम परिघटनाओं के लिए एक पर्याप्त सीमा है। लंबवत कोण पर समतुल्यता की बहाली विशेष रूप से मजबूत है, जो क्षेत्र की शक्ति बढ़ने पर भी सत्य बनी रहती है। यह सुझाव देता है कि तंत्र स्थिर और विश्वसनीय है, जो इसे भविष्य के क्वांटम प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।

भौतिकी के व्यापक संदर्भ में, यह कार्य बाहरी क्षेत्रों का उपयोग करके क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करने के बढ़ते ज्ञान में योगदान देता है। यह प्रदर्शित करता है कि समतुल्यता केवल एक सामग्री का निश्चित गुण नहीं है, बल्कि एक गतिशील डिग्री ऑफ फ्रीडम है जिसे वास्तविक समय में ट्यून किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि करंट और चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष ओरिएंटेशन को नियंत्रित करके, कोई प्रभावी रूप से सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनों के हस्तक्षेप के नियमों को लिख और मिटा सकता है। नियंत्रण का यह स्तर अधिक परिष्कृत क्वांटम सर्किट बनाने की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम है, जहाँ उपकरण के व्यवहार को चलते-फिरते पुनर्गठित करने की क्षमता आवश्यक है। यह अध्ययन एक स्पष्ट, प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित मार्ग प्रदान करता है, जो सुपरकंडक्टर्स और विक्षेपित सामग्रियों के साथ चुंबकीय क्षेत्र की परस्पर क्रिया की मौलिक भौतिकी पर आधारित है।