Parity-dependent coupling of molecular spin chains to a superconductor

क्वांटम भौतिकी की सूक्ष्म दुनिया में, कण कभी-कभी इस तरह व्यवहार करते हैं जैसे वे स्वतंत्र व्यक्तियों के बजाय एक बड़े, सामूहिक संपूर्ण का हिस्सा हों। जब ऐसा कुछ विशेष सामग्रियों में होता है, तो ब्रह्मांड के मौलिक नियम बदल सकते हुए प्रतीत होते हैं, जिससे कण अपने सामान्य गुणों के केवल एक अंश को ले जाने वाले छोटे, भिन्नात्मक टुकड़ों में विभाजित हो सकते हैं। यह घटना, जिसे 'फ्रैक्शनलाइजेशन' (fractionalization) कहा जाता है, पदार्थ की उन विलक्षण अवस्थाओं की एक पहचान है जहाँ कणों के बीच तीव्र अंतःक्रियाएं नए, अप्रत्याशित व्यवहार उत्पन्न करती हैं। इसका एक सबसे आकर्षक उदाहरण चुंबकीय परमाणुओं की एक-आयामी (one-dimensional) श्रृंखलाओं में देखने को मिलता है। इन श्रृंखलाओं में, परमाणुओं के चुंबकीय स्पिन एक विशिष्ट पैटर्न में संरेखित होते हैं जो श्रृंखला के सिरों की रक्षा करते हैं, जिससे उनके सिरों पर एक अद्वितीय, भिन्नात्मक चुंबकीय चरित्र रह जाता है जो श्रृंखला के मध्य भाग में मौजूद नहीं होता। वैज्ञानिक लंबे समय से यह जानने के इच्छुक थे कि यदि वे इन नाजुक, भिंनात्मक 'एज स्टेट्स' (edge states) को एक सुपरकंडक्टर (अतिचालक) के संपर्क में लाएँ तो क्या होगा—एक ऐसी सामग्री जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करती है और चुंबकीय क्षेत्रों को बाहर निकाल देती है। प्रश्न यह था कि क्या सुपरकंडक्टर इन नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को नष्ट कर देगा या क्या वे सह-अस्तित्व में रह सकते हैं, जो संभावित रूप से नए प्रकार के क्वांटम कंप्यूटरों का आधार बन सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रश्न का उत्तर दिया है। उन्होंने एक विशेष सतह पर सूक्ष्म आणविक श्रृंखलाएं बनाईं और यह देखा कि वे एक सुपरकंडक्टर के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं। उन्होंने 'ट्राइएंगुलीन' (triangulene) नामक त्रिकोणीय कार्बन अणुओं से श्रृंखलाएं बनाईं, जो चुंबकीय मोतियों की एक माला की तरह कार्य करती हैं। जब ये श्रृंखलाएं छोटी होती हैं, तो श्रृंखला के दोनों सिरों के चुंबकीय गुण आपस में क्रिया करते हैं। यदि श्रृंखला में त्रिकोणीय इकाइयों की संख्या विषम (odd) है, तो दोनों सिरे एक एकल चुंबकीय वस्तु की तरह व्यवहार करते हैं जिसमें एक शुद्ध स्पिन (net spin) होता है। यदि श्रृंखला में इकाइयों की संख्या सम (even) है, तो दोनों सिरे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक गैर-चुंबकीय अवस्था प्राप्त होती है। शोधकर्ताओं ने इन श्रृंखलाओं को सोने (gold) की एक पतली फिल्म पर रखा था जो नियोबियम (niobium) नामक एक सुपरकंडक्टिंग धातु के ऊपर स्थित थी। इस सेटअप ने सोने की फिल्म को स्वयं सुपरकंडक्टिंग बनने की अनुमति दी, जिससे एक "प्रॉक्सिमिटाइज्ड" (proximitized) वातावरण तैयार हुआ जहाँ सुपरकंडक्टिंग गुण कार्बन श्रृंखलाओं की नाजुक रासायनिक संरचना को नष्ट किए बिना सोने में समा गए।

एक अत्यंत संवेदनशील सूक्ष्मदर्शी (microscope) का उपयोग करते हुए, जो परमाणु स्तर पर बिजली के प्रवाह को माप सकता है, टीम ने श्रृंखला की लंबाई के आधार पर एक आश्चर्यजनक अंतर देखा। जब उन्होंने विषम संख्या में त्रिकोणीय इकाइयों वाली श्रृंखलाओं का अवलोकन किया, तो उन्हें स्पष्ट संकेत मिले कि चुंबकीय सिरे सुपरकंडक्टर के साथ संवाद कर रहे थे। सूक्ष्मदर्शी ने सुपरकंडक्टिंग गैप (superconducting gap) के भीतर विशिष्ट ऊर्जा चोटियों (energy peaks) का पता लगाया, जो वह ऊर्जा सीमा है जहाँ बिजली आमतौर पर प्रवाहित नहीं हो सकती। ये चोटियाँ, जिन्हें 'यू-शिबा-रुसिनो स्टेट्स' (Yu-Shiba-Rusinov states) के रूप में जाना जाता है, इस बात का संकेत हैं कि एक चुंबकीय क्षण (magnetic moment) सीधे सुपरकंडक्टर पर स्थित है, जो एक स्थानीयकृत विक्षोभ पैदा कर रहा है। इसने पुष्टि की कि विषम-लंबाई वाली श्रृंखला के अंत में मौजूद भिन्नात्मक स्पिन सक्रिय रहा और सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़ा रहा।

इसके विपरीत, सम संख्या वाली इकाइयों वाली श्रृंखलाओं ने एक अलग कहानी सुनाई। क्योंकि इन श्रृंखलाओं के दो सिरों ने एक गैर-चुंबकीय अवस्था बनाने के लिए एक-दूसरे को रद्द कर दिया था, इसलिए उन्होंने सुपरकंडक्टिंग गैप के भीतर कोई विशेष ऊर्जा चोटियाँ उत्पन्न नहीं कीं। सुपरकंडक्टर श्रृंखला से अप्रभावित रहा, मानो उसने उसे पूरी तरह अनदेखा कर दिया हो। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने सुपरकंडक्टिंग गैप के ठीक बाहर अंतःक्रिया के संकेत देखे, जहाँ श्रृंखला की चुंबकीय अवस्था को बदलने के लिए आवश्यक ऊर्जा दृश्यमान थी। इससे सिद्ध हुआ कि दोनों सिरे अभी भी एक-दूसरे के साथ क्रिया कर रहे थे, लेकिन उनकी संयुक्त गैर-चुंबकीय प्रकृति ने उन्हें स्वयं सुपरकंडक्टर से अलग (decoupled) रखा।

शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि श्रृंखला के दोनों सिरों के बीच की अंतःक्रिया की शक्ति श्रृंखला के लंबा होने के साथ बदल जाती है। छोटी श्रृंखलाओं में, सिरे एक-दूसरे को महसूस करने के लिए इतने करीब थे कि इससे यह निर्धारित हुआ कि श्रृंखला एक चुंबकीय या गैर-चुंबकीय वस्तु के रूप में कार्य करेगी। जैसे-जैसे श्रृंखला लंबी होती गई, यह अंतःक्रिया कमजोर होती गई, और सिरे स्वतंत्र कणों की तरह व्यवहार करने लगे। टीम ने इस व्यवहार को समझाने के लिए एक सैद्धांतिक मॉडल का उपयोग किया, जिससे पता चला कि श्रृंखलाओं की वैकल्पिक चुंबकीय अवस्थाएँ ही मुख्य कारक थीं। उन्होंने पाया कि श्रृंखला की चुंबकीय ग्राउंड स्टेट (ground state), चाहे वह एक एकल चुंबकीय इकाई हो या एक रद्द की गई जोड़ी, यह तय करती थी कि वह सुपरकंडक्टर के साथ कैसे जुड़ती है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि इन भिन्नात्मक स्पिन अवस्थाओं की टोपोलॉजिकल सुरक्षा (topological protection) एक सुपरकंडक्टिंग वातावरण में जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत है। श्रृंखला में केवल एक इकाई जोड़ने या हटाने से उसके चुंबकीय व्यवहार को बदलने और इस अवस्था को सुपरकंडक्टर के साथ इसकी अंतःक्रिया के माध्यम से पढ़ने की क्षमता, आणविक स्तर पर क्वांटम सूचना को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदान करती है। यह अध्ययन सुझाव देता है कि कार्बन-आधारित आणविक संरचनाएं हाइब्रिड क्वांटम उपकरणों के लिए निर्माण खंड (building blocks) के रूप में कार्य कर सकती हैं, जहाँ टोपोलॉजिकल अवस्थाओं की स्थिरता और सुपरकंडक्टिविटी की शक्ति का मिलन होता है। इन विलक्षण क्वांटम अवस्थाओं को एक सुपरकंडक्टिंग सतह पर इंजीनियर और नियंत्रित किया जा सकता है, यह सिद्ध करके, शोधकर्ताओं ने भविष्य की प्रौद्योगिकियों के लिए अधिक स्थिर और जटिल क्वांटम प्रणालियों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त किया है।