Nonlocal thermal noise in electrically coupled conductors: A microscopic two-dimensional study
विभिन्न तापमानों पर संधारणीय रूप से युग्मित (capacitively coupled) चालकों के सूक्ष्मदर्शीय द्वि-आयामी सिमुलेशन यह प्रकट करते हैं कि दूरस्थ विद्युत-गतिज बलों (electromotive forces) के बीच परिमित सहसंबंध उत्पन्न होते हैं, जो गैर-संतुलन विद्युत रूप से युग्मित प्रणालियों में तापीय शोर के मानक स्थानीय-शोर निरूपण की वैधता को चुनौती देते हैं।
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एक गर्म तार की शांत गूँज में, अदृश्य अराजकता का राज है। आवेशित कण, जैसे कि इलेक्ट्रॉन, ऊष्मा के कारण लगातार थरथराते और टकराते रहते हैं, जिससे एक मंद, यादृच्छिक विद्युत संकेत उत्पन्न होता है जिसे थर्मल नॉइज़ (तापीय शोर) कहा जाता है। लगभग एक सदी से, वैज्ञानिक इस घटना का वर्णन करने के लिए एक सरल नियम पर भरोसा करते आए हैं: किसी भी चालक के किसी छोटे हिस्से में उत्पन्न होने वाला शोर केवल उस विशिष्ट भाग के तापमान पर निर्भर करता है। जॉन जॉनसन और हैरी निक्विस्ट जैसे भौतिकविदों के कार्य में निहित यह विचार बताता है कि यदि आपके पास दो तार के टुकड़े हैं जो एक-दूसरे के बगल में रखे हैं लेकिन अलग-अलग तापमान पर रखे गए हैं, तो ठंडे तार में विद्युत शोर को गर्म तार की गर्मी की परवाह नहीं होनी चाहिए, बशर्ते वे सीधे एक-दूसरे को स्पर्श न कर रहे हों। उन्हें स्टेटिक के स्वतंत्र स्रोतों के रूप में देखा जाता है, जिनमें से प्रत्येक अपनी स्थानीय गर्माहट के आधार पर अपनी कहानी फुसफुसाता है। यह धारणा इंजीनियरों को जटिल सर्किटों को स्वतंत्र भागों के सरल संग्रह के रूप में मानने की अनुमति देती है, एक ऐसा दृष्टिकोण जो साम्यावस्था (इक्विलिब्रियम) में अच्छी तरह से कायम रहा है। लेकिन क्या होता है जब ये भाग विद्युत रूप से जुड़े होते हैं, फिर भी अलग-अलग तापमान पर रखे जाते हैं? क्या एक तरफ की गर्मी वास्तव में अपने ही हिस्से तक सीमित रहती है, या विद्युत जुड़ाव शोर को पार करने और पुराने नियम को चुनौती देने की अनुमति देता है?
जॉर्ज बर्गरर नामक एक शोधकर्ता ने शून्य से निर्मित एक आभासी प्रयोगशाला का उपयोग करके इस सीमा का परीक्षण करने का निर्णय लिया। वास्तविक तारों को मापने के बजाय, जिन्हें अन्य पर्यावरणीय कारकों से अलग करना अविश्वसनीय रूप से कठिन होता, उन्होंने दो लंबे, पतले आयताकार चैनलों के भीतर चलते हुए आवेशित कणों का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। ये चैनल तारों का प्रतिनिधित्व करते हैं। कणों को धातुओं में इलेक्ट्रॉनों की तरह व्यवहार करने के लिए प्रोग्राम किया गया था: वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, दीवारों से टकराते हैं, और एक अदृश्य लैटिस (जाली) से टकराते हैं जो एक हीट बाथ के रूप में कार्य करता है, जिससे उनकी गति को एक विशिष्ट तापमान के अनुरूप रीसेट किया जाता है। कणों को एक-दूसरे से भौतिक रूप से जाने से रोकने के लिए, लेकिन उन्हें आपस में जोड़ने के लिए, बर्गरर ने दोनों के बीच आदर्श कैपेसिटर (संधारित्र) रखे। वास्तविक दुनिया में, एक कैपेसिटर विद्युत धारा को बहने देता है जबकि पदार्थ के भौतिक मार्ग को रोकता है, जो बिजली के लिए एक पुल लेकिन कणों के लिए एक दीवार के रूप में कार्य करता है। दोनों तारों को अलग-अलग तापमान पर रखकर—एक ठंडा, एक गर्म—और उन्हें केवल इन कैपेसिटरों के माध्यम से जोड़कर, उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ तार विद्युत रूप से जुड़े हुए थे लेकिन भौतिक रूप से अलग थे।
सिमुलेशन एक विशाल आभासी समय के लिए चला, जिसमें सैकड़ों कणों की गति को ट्रैक किया गया जो अरबों बार टकराते हैं। लक्ष्य प्रत्येक तार में उत्पन्न होने वाले यादृच्छिक विद्युत उतार-चढ़ाव, या शोर को मापना था। जब तारों को एक ही तापमान पर रखा गया था, तो सिमुलेशन ठीक उसी तरह व्यवहार किया जैसा स्थापित सिद्धांत भविष्यवाणी करता है: प्रत्येक तार में शोर केवल उसके अपने तापमान पर निर्भर था, और दोनों तारों में उतार-चढ़ाव पूरी तरह से असंबद्ध थे, जैसे कि वे भीड़ में अजनबी हों। हालाँकि, जैसे ही तापमान अलग-अलग किया गया, कहानी बदल गई। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि ठंडे तार में विद्युत शोर अब केवल उसकी अपनी ठंडक से निर्धारित नहीं था। वह पड़ोसी तार की गर्मी से सूक्ष्म रूप से प्रभावित हो रहा था। दो तारों के दूरस्थ खंडों में उत्पन्न होने वाले यादृच्छिक विद्युत धक्के, जिन्हें इलेक्ट्रोमोटिव फोर्स कहा जाता है, एक मापने योग्य संबंध दिखाने लगे। वे एक समन्वित, भले ही कमजोर, नृत्य करने लगे, जिससे पता चलता कि विद्युत जुड़ाव एक तार की तापीय उत्तेजना को अंतराल के पार जाने और दूसरे को प्रभावित करने की अनुमति देता है।
यह खोज इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देती है कि थर्मल नॉइज़ सख्ती से एक स्थानीय घटना है। शोध सुझाव देता है कि भले ही कण बहुत कम दूरी पर परस्पर क्रिया करते हैं और तार एक ऐसे अवरोध द्वारा अलग किए गए हैं जो भौतिक संपर्क को रोकता है, फिर भी विद्युत युग्मन (कपलिंग) एक साझा शोर वातावरण बनाने के लिए पर्याप्त है। यह प्रभाव एक तार द्वारा दूसरे के नाटकीय अधिग्रहण जैसा नहीं था; शोर के स्तर में परिवर्तन छोटा था, जो वास्तविक तापमान अंतर की तुलना में शोर के तापमान को एक बहुत ही मामूली अंश से बदल देता था। फिर भी, सहसंबंध वास्तविक और व्यवस्थित था। इस संबंध की ताकत तारों की लंबाई और उनके तापमान के अंतर पर निर्भर थी। सिमुलेशन में, तार इतने लंबे थे कि कण एक-दूसरे के पास से गुजर सकें, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि परिणाम एक आयामी बाधा (बॉटलनेक) का परिणाम नहीं है जहाँ कणों को कतार में रहने के लिए मजबूर किया जाता है। यह प्रभाव तब भी बना रहा जब कण स्वयं अंतराल को पार नहीं कर पाए, और केवल कैपेसिटरों के माध्यम से प्रसारित होने वाले इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों द्वारा संचालित थे।
अध्ययन ने यह भी देखा कि तारों के बीच ऊर्जा कैसे स्थानांतरित होती है। इसने पाया कि हालांकि कुछ ऊष्मा गर्म तार से ठंडे तार में स्थानांतरित हुई, लेकिन शोर के पैटर्न में परिवर्तन इस सरल ऊष्मा प्रवाह से होने वाले स्पष्टीकरण से कहीं अधिक बड़ा था। इसका तात्पर्य है कि शोर को जोड़ने वाला तंत्र, तापमान को समान करने वाले तंत्र से अलग है। शोधकर्ताओं को संदेह है कि आवेशित कणों के बीच का प्रतिकर्षण, जो उन्हें फैलाए रखता है और विद्युत तटस्थता बनाए रखता है, इस प्रभाव को प्रसारित करने वाले माध्यम के रूप में कार्य करता है। यह ऐसा है जैसे ठंडे तार के कण, बिना छुए ही, विद्युत क्षेत्र के माध्यम से गर्म तार के भीड़भाड़ वाले, ऊर्जावान कणों के दबाव को महसूस करते हैं। परिणाम बताते हैं कि उन सर्किटों में जहाँ घटक अलग-अलग तापमान पर होते हैं, स्थानीय योगदान को बस जोड़कर शोर की गणना करने की मानक विधि थोड़ी गलत हो सकती है। सर्किट के एक हिस्से में शोर दूसरे हिस्से के तापमान की एक हल्की प्रतिध्वनि ले जा सकता है, जो एक याद दिलाता है कि बिजली की दुनिया में, कुछ भी वास्तव में अलग-थलग नहीं है।
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