Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K
शोधकर्ताओं ने उच्च-दबाव द्वारा संश्लेषित टेल्यूरियम पॉलीहाइड्राइड (TeH4) में एक सुपरकंडक्टिंग अवस्था की प्रयोगात्मक रूप से खोज की है जो 263 GPa पर लगभग 91 K का क्रांतिक तापमान प्रदर्शित करती है, जो चाल्कोजन पॉलीहाइड्राइड सुपरकंडक्टिविटी में एक और महत्वपूर्ण मील का पत्थर है।
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द दशकों से, वैज्ञानिक एक ऐसे पदार्थ की तलाश कर रहे हैं जो बिना किसी ऊर्जा हानि के बिजली का संचालन कर सके, जिसे सुपरकंडक्टिविटी (अतिचालकता) नामक अवस्था कहा जाता है। हालांकि यह घटना सुप्रसिद्ध है, लेकिन इसके लिए आमतौर पर इतने कम तापमान की आवश्यकता होती है जो केवल अंतरिक्ष की गहराइयों में ही पाए जाते हैं, जिससे इसका व्यावहारिक उपयोग करना अत्यंत कठिन हो जाता है। हाल ही में, शोध का केंद्र 'पॉलीहाइड्राइड्स' नामक पदार्थों के एक विशिष्ट परिवार के इर्द-गिर्द केंद्रित हो गया है, जो हाइड्रोजन से बने यौगिक हैं जो अन्य तत्वों के साथ बंधे होते हैं। सैद्धांतिक रूप से, इन पदार्थों में एक अनूठा वादा निहित है: यदि उन्हें पर्याप्त दबाव के साथ दबाया जाए, तो हाइड्रोजन परमाणु इतने करीब आ जाते हैं कि वे धातु की तरह व्यवहार करने लगते हैं, जिससे संभावित रूप से बिजली पहले की तुलना में बहुत अधिक गर्म तापमान पर स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सकती है। "प्री-कंप्रेशन" (पूर्व-संपीडन) की यह अवधारणा बताती है कि अत्यधिक बल लगाकर, शोधकर्ता सुपरकंडक्टिविटी के लिए आवश्यक तापमान को इतने निचले स्तर पर ला सकते हैं जहाँ यह एक दिन वास्तविक दुनिया में उपयोगी हो सके।
इस विचार को आगे बढ़ाते हुए, शोधकर्ताओं के एक दल ने अब टेल्यूरियम और हाइड्रोजन से बने एक यौगिक में सुपरकंडक्टिविटी की खोज करके इस कहानी में एक नया अध्याय जोड़ दिया है। टेल्यूरियम आवर्त सारणी के दाहिनी ओर पाया जाने वाला एक रासायनिक तत्व है, और जब अत्यधिक परिस्थितियों में हाइड्रोजन के साथ मिलाया जाता है, तो यह एक ऐसा पदार्थ बनाता है जो लगभग 91 केल्विन (जो लगभग -182 डिग्री सेल्सियस है) के तापमान पर बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करता है। हालांकि यह अभी भी पानी के हिमांक बिंदु से बहुत नीचे है, लेकिन यह इस प्रकार के पदार्थ के लिए एक महत्वपूर्ण छलांग है और यह पहली बार है जब टेल्यूरियम के हाइड्रोजन-समृद्ध यौगिक में सुपरकंडक्टिविटी देखी गई है।
इस पदार्थ को बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को पृथ्वी के कोर की गहराई में पाए जाने वाले अत्यधिक दबाव को फिर से बनाना पड़ा। उन्होंने 'डायमंड एनविल सेल' नामक एक उपकरण का उपयोग किया, जिसमें दो छोटे हीरे होते हैं जिनके सिरे सपाट होते हैं और जिन्हें एक नमूने को आपस में दबाने के लिए एक साथ दबाया जा सकता है। इस सूक्ष्म कक्ष के भीतर, उन्होंने टेल्यूरियम का एक कण और अमोनिया बोरेन नामक एक हाइड्रोजन-समृद्ध पदार्थ रखा, जिसने हाइड्रोजन के स्रोत और दबाव को प्रसारित करने वाले माध्यम दोनों के रूप में कार्य किया। नमूने को एक शक्तिशाली लेजर से लगभग 2,000 केल्विन के तापमान पर गर्म करके, उन्होंने अमोनिया बोरेन को तोड़ दिया, जिससे हाइड्रोजन गैस मुक्त हुई जिसने टेल्यूरियम के साथ प्रतिक्रिया करके नया यौगिक बनाया। यह प्रक्रिया नाजुक और कठिन थी; इस पदार्थ को बनाने के लिए आवश्यक तीव्र गर्मी ने अक्सर डायमंड एनविल को नुकसान पहुँचाया, जिससे प्रयोग को दोहराना या बदलते दबावों के तहत सामग्री का परीक्षण करना कठिन हो गया।
एक बार जब पदार्थ बन गया, तो शोधकर्ताओं ने उच्च दबाव के तहत रखते हुए और इसे ठंडा करते हुए इसके विद्युत प्रतिरोध को मापा। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे तापमान गिरा, नमूने का विद्युत प्रतिरोध तेजी से गिरा और अंततः पूरी तरह से गायब हो गया, जो एक स्पष्ट संकेत है कि पदार्थ एक सुपरकंडक्टर बन गया है। उनके एक नमूने में, यह शून्य-प्रतिरोध अवस्था लगभग 91 केल्विन के तापमान पर दिखाई दी। यह पुष्टि करने के लिए कि यह वास्तव में सुपरकंडक्टिविटी है न कि केवल पदार्थ की संरचना या चुंबकत्व में कोई परिवर्तन, उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र लागू किए। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे चुंबकीय क्षेत्र मजबूत हुआ, वह तापमान जिस पर पदार्थ सुपरकंडक्टिंग हो गया, नीचे गिर गया, जो कि वास्तविक सुपरकंडक्टर्स की एक प्रमुख विशेषता है। चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति यह संवेदनशीलता यह भी बताती है कि नमूने के भीतर सुपरकंडक्टिंग क्षेत्र कमजोर कड़ियों (वीक लिंक्स) द्वारा जुड़े हुए हैं, जो कई छोटे क्रिस्टल से बने पदार्थों की एक सामान्य विशेषता है।
टीम ने फिर पदार्थ के भीतर देखने और उसके परमाणुओं की व्यवस्था को समझने के लिए एक बड़े अनुसंधान केंद्र पर एक शक्तिशाली एक्स-रे बीम का उपयोग किया। उनके द्वारा प्राप्त डिफ्रैक्शन पैटर्न ने खुलासा किया कि सुपरकंडक्टिंग चरण एक विशिष्ट यौगिक TeH4 है, जहाँ टेल्यूरियम का एक परमाणु चार हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ बंधा होता है। इस यौगिक की संरचना काफी विशिष्ट है, जिसमें हाइड्रोजन परमाणुओं के पिंजरे (केजेस) हैं जो एक-दूसरे के फलक (फेसेस) साझा करते हैं, जिससे एक जाली (लैटिस) बनती है जो मधुमक्खी के छत्ते के समान है। इस संरचना के भीतर, हाइड्रोजन के जोड़े पास-पास स्थित हैं, जो बड़े ढांचे के भीतर फंसी व्यक्तिगत अणुओं की तरह कार्य करते हैं। यह व्यवस्था अन्य वैज्ञानिकों द्वारा किए गए सैद्धांतिक अनुमानों से मेल खाती है, जिन्होंने सुझाव दिया था कि यह विशिष्ट आकार अत्यधिक दबाव में स्थिर होगा और सुपरकंडक्टिविटी के सक्षम होगा।
यह खोज टेल्यूरियम पॉलीहाइड्राइड को सल्फर हाइड्राइड के साथ ज्ञात चाल्कोजन पॉलीहाइड्राइड सुपरकंडक्टर्स में से कुछ में से एक के रूप में स्थापित करती है। जबकि शोधकर्ता अपने नमूनों की नाजुकता के कारण दबाव को ऊपर-नीचे नहीं कर सके ताकि यह देख सकें कि सामग्री व्यापक सीमा में कैसे व्यवहार करती है, उनके द्वारा एकत्र किए गए डेटा ने अत्यधिक तनाव के तहत हाइड्रोजन-समृद्ध पदार्थों के व्यवहार को समझने के लिए एक ठोस आधार प्रदान किया है। निष्कर्ष इस बात की पुष्टि करते हैं कि इन तत्वों को एक साथ दबाकर, ऐसे नए पदार्थ बनाए जा सकते हैं जो उन तापमानों पर पूर्ण दक्षता के साथ बिजली का संचालन करते हैं, जो कि पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स की तुलना में अधिक गर्म हैं। यह कार्य ज्ञात सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों के मानचित्र का विस्तार करता है और इस बात का और प्रमाण देता है कि पॉलीहाइड्राइड्स में उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिविटी का सैद्धांतिक वादा एक मूर्त वास्तविकता बनता जा रहा है।
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