Josephson-Phase Reversal of Non-Bloch Andreev Propagation
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक स्पिन-ऑर्बिट-कपल्ड (spin-orbit-coupled) प्लेनर जोसेफसन जंक्शन में, जोसेफसन फेज को ट्यून करके निम्न-ऊर्जा एंड्रीव बैंड्स (Andreev bands) के नॉन-ब्लॉक प्रोपेगेशन (non-Bloch propagation) को उलटा जा सकता है और बैंड की संरचना को नया रूप देकर उनके बाउंड्री एक्युमुलेशन (boundary accumulation) को स्विच किया जा सकता है, ताकि काउंटरप्रोपेगेटिंग मोड्स के बीच एक फेज-नियंत्रित लॉस इम्बैलेंस (phase-controlled loss imbalance) बनाया जा सके।
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क्वांटम दुनिया में, ऊर्जा स्तर हमेशा कठोर नहीं होते; उन्हें आकार दिया जा सकता है, खींचा जा सकता है, और यहाँ तक कि अप्रत्याशित दिशाओं में प्रवाहित भी किया जा सकता है। दशकों से, भौतिकविदों को पता है कि जब कोई प्रणाली अपने परिवेश में ऊर्जा खोती है—एक प्रक्रिया जिसे विसरण (dissipation) कहा जाता है—तो यह केवल लुप्त नहीं होती। यह तरंगों के यात्रा करने के तरीके को मौलिक रूप से बदल सकती है, जिससे कभी-कभी वे किसी सामग्री के एक किनारे पर जमा हो जाती हैं जबकि दूसरी ओर खाली रह जाती हैं। यह घटना, जिसे नॉन-हर्मिटियन स्किन इफेक्ट (non-Hermitian skin effect) के रूप में जाना जाता है, तरंग प्रसार के सामान्य नियमों को उलट देती है। एक विशिष्ट सेटअप में, इस जमाव की दिशा उपकरण की भौतिक संरचना या ऊर्जा खोने के विशिष्ट तरीके द्वारा निर्धारित होती है। एक बार बन जाने के बाद, दिशा पत्थर की लकीर बन जाती है, जो उन सामग्रियों और संपर्कों द्वारा निर्धारित होती है जिन्हें आसानी से बदला नहीं जा सकता। यह उन इंजीनियरों के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा उत्पन्न करता है जो वास्तविक दुनिया के उपकरणों में इन विलक्षण अवस्थाओं को नियंत्रित करना चाहते हैं, क्योंकि वे पूरे सिस्टम को फिर से बनाए बिना प्रवाह को उलटने के लिए केवल एक स्विच नहीं दबा सकते।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक मानक सुपरकंडक्टिंग डिवाइस का उपयोग करके इस कठोरता को दूर करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। वे दिखाते हैं कि केवल दो सुपरकंडक्टर्स के बीच फेज अंतर (phase difference) को समायोजित करके, वे उस दिशा को उलट सकते हैं जिसमें क्वांटम तरंगें जमा होती हैं, और यह सब डिवाइस की भौतिक संरचना को छुए बिना या इसके ऊर्जा खोने के तरीके को बदले बिना किया जा सकता है। यह प्रयोग एक प्लेनर जोसेफसन जंक्शन (planar Josephson junction) में किया गया है, जो दो सुपरकंडक्टिंग बैंकों के बीच सैंडविच की गई एक पतली पट्टी है। इस पट्टी में एक विशेष प्रकार का कपलिंग होता है जो इलेक्ट्रॉनों की गति को उनके स्पिन से जोड़ता है, एक ऐसा गुण जो एक छोटे आंतरिक कंपास की तरह कार्य करता है। महत्वपूर्ण रूप से, डिवाइस एक निश्चित रिज़र्वोायर (reservoir) से जुड़ी हुई है जो सिस्टम से ऊर्जा को एक विशिष्ट तरीके से निकालती है, जो कुछ प्रकार की क्वांटम अवस्थाओं के लिए एकतरफा ड्रेन के रूप में कार्य करती है। पिछले सेटअपों में, यह निश्चित ड्रेन तरंगों को जंक्शन के एक विशिष्ट छोर की ओर धकेलता था।
शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल दो सुपरकंडक्टर्स के बीच फेज अंतर को बदलकर, वे पट्टी के माध्यम से यात्रा करने वाली तरंगों की आंतरिक संरचना को नया आकार दे सकते हैं। ये तरंगें, जिन्हें एंड्रीव अवस्थाएं (Andreev states) कहा जाता है, इलेक्ट्रॉनों और होल्स (holes) के मिश्रण से बनी होती हैं, और उनका व्यवहार उनके स्पिन ओरिएंटेशन पर बहुत अधिक निर्भर करता है। फेज को ट्यून करके, वैज्ञानिकों ने इस मिश्रण के संतुलन को बदल दिया, जिससे प्रभावी रूप से यह बदल गया कि तरंगें निश्चित ऊर्जा ड्रेन के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं। परिणाम एक क्षय दिशा (decay direction) का पूर्ण उलटफेर था। जब फेज को एक मान पर सेट किया गया, तो तरंगें दाईं ओर बढ़ते समय तेजी से ऊर्जा खो देती थीं, जिससे वे बाएं छोर पर जमा हो जाती थीं। जब फेज को दूसरे मान पर स्थानांतरित किया गया, तो लॉस डायनेमिक्स उलट गया: अब तरंगें बाईं ओर बढ़ते समय तेजी से ऊर्जा खो रही थीं, जिससे वे दाएं छोर पर जमा होने लगीं। यह स्विच सहज और निरंतर हुआ, जो पूरी तरह से फेज एडजस्टमेंट द्वारा संचालित था, जबकि भौतिक ड्रेन बिल्कुल वैसा ही बना रहा।
इस रिवर्सल के पीछे का तंत्र डिवाइस के भीतर विभिन्न ऊर्जा स्तरों के बीच एक सूक्ष्म हस्तक्षेप (interference) पर निर्भर करता है। जैसे ही तरंगें गति करना शुरू करती हैं, वे अन्य उपलब्ध क्वांटम अवस्थाओं से विशेषताएं उधार लेती हैं। निश्चित रिज़र्वोायर इन उधार ली गई विशेषताओं के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करता है जो यात्रा की दिशा पर निर्भर करता है। फेज को ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने इन अवस्थाओं के बीच हस्तक्षेप पैटर्न को बदल दिया, जिससे एक दिशा के प्रति प्राथमिकता को प्रभावी रूप से रद्द कर दिया गया और फिर विपरीत दिशा के लिए एक प्राथमिकता बनाई गई। इस प्रक्रिया में ऊर्जा अंतराल (energy gap) को बंद करना या किसी अन्य प्रकार की तरंग में स्विच करना शामिल नहीं था; वही ऊर्जा बैंड बस अपना व्यवहार बदल गया। टीम ने विस्तृत सिमुलेशन के माध्यम से इसकी पुष्टि की, जो दिखाया कि फेज को एक विशिष्ट रेंज में घुमाकर संचय बिंदु (accumulation point) को जंक्शन के एक छोर से दूसरे छोर तक ले जाया जा सकता है। एक क्रिटिकल फेज वैल्यू पर, संचय तटस्थ हो गया, जहाँ तरंगें समान रूप से फैल गईं, और फिर विपरीत दिशा में बदल गया।
यह खोज ठोस-अवस्था प्लेटफार्मों (solid-state platforms) में नॉन-हर्मिटियन ट्रांसपोर्ट को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदान करती है। ऊर्जा के प्रवाह को निर्देशित करने के लिए जटिल, असममित संरचनाओं को इंजीनियर करने के बजाय, वैज्ञानिक अब एक सुसंगत नियंत्रण पैरामीटर—सुपरकंडक्टिंग फेज—का उपयोग करके सिस्टम को यथास्थान पुनर्गठित कर सकते हैं। यह अध्ययन दर्शाता है कि विसरण (dissipation) की दिशा वातावरण का एक अपरिवर्तनीय गुण नहीं है, बल्कि एक गतिशील प्रतिक्रिया है जो सिस्टम की अपनी अवस्था पर निर्भर करती है। वेव फंक्शन को नया आकार देकर, निश्चित वातावरण को विपरीत दिशाओं में कार्य करने के लिए बनाया जा सकता है। यह पुनर्गठित करने योग्य क्वांटम उपकरणों के निर्माण के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है जहाँ सूचना या ऊर्जा के प्रवाह को मांग के अनुसार बदला जा सकता है, जो सुसंगत क्वांटम नियंत्रण और स्थापित सामग्रियों में विसरणात्मक प्रभावों के प्रबंधन के बीच के अंतर को पाटता है।
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