Nitrogen based electride superconductor Nb5Ir3N under pressure: multifunctional physical properties from DFT based first-principles investigation
यह अध्ययन 20 GPa तक के दबावों के तहत तृतीयक नाइट्राइड इलेक्ट्राइड Nb5Ir3N के संरचनात्मक, यांत्रिक, इलेक्ट्रॉनिक, ऑप्टिकल और सुपरकंडक्टिंग गुणों की जांच करने के लिए डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी का उपयोग करता है, जो इसकी स्थिरता की पुष्टि करता है और इसके लचीले, एनिसोट्रोपिक स्वभाव के साथ-साथ इसके बहुक्रियात्मक लक्षणों में दबाव-प्रेरित संशोधनों को प्रकट करता है।
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सघन द्रव्य भौतिकी (condensed matter physics) के क्षेत्र में गहराई तक जाते हुए, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों का अध्ययन करते हैं जो हमारे रोजमर्रा के सहज ज्ञान को चुनौती देते हैं। ऐसे पदार्थों की एक श्रेणी है जिसे 'इलेक्ट्राइड' (electrides) कहा जाता है। एक सामान्य ठोस में, इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से मजबूती से बंधे होते हैं, जो संरचना को थामे रखने वाले गोंद के रूप में कार्य करते हैं। हालाँकि, एक इलेक्ट्राइड में, कुछ इलेक्ट्रॉन अपने परमाणु घरों से मुक्त होकर परमाणुओं के बीच खाली स्थानों में तैरने लगते हैं, जिससे वे प्रभावी रूप से स्वयं नकारात्मक आयनों (negative ions) बन जाते हैं। यह अनूठी व्यवस्था इन सामग्रियों को असाधारण गुण प्रदान करती है, जैसे कि लगभग बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करने की क्षमता या उच्च दक्षता के साथ रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने की क्षमता। जब ये इलेक्ट्राइड सुपरकंडक्टर (superconductors)—वे सामग्रियां जो कम तापमान पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करती हैं—भी बन जाते हैं, तो वे तकनीक के लिए नई संभावनाएं खोल देते हैं। जबकि शोधकर्ता लंबे समय से दो तत्वों से बने सरल द्विआधारी (binary) यौगिकों का अध्ययन कर रहे हैं, अधिक जटिल त्रिक (ternary) यौगिकों का व्यवहार, जिनमें तीन अलग-अलग तत्व होते हैं, कम समझा गया है। विशेष रूप से, ऐसे पदार्थों की क्रिस्टल संरचना के भीतर फंसे नाइट्रोजन परमाणुओं की भूमिका एक रहस्य है जो बेहतर सुपरकंडक्टर डिजाइन करने की कुंजी हो सकती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशिष्ट त्रिक नाइट्राइड Nb5Ir3N की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया है, जो नियोबियम, इरिडियम और नाइट्रोजन से बना एक यौगिक है। हालांकि इस सामग्री का हाल ही में संश्लेषण किया गया था और इसे सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर एक सुपरकंडक्टर पाया गया था, लेकिन इसकी पूर्ण क्षमता और अत्यधिक स्थितियों में यह कैसे व्यवहार करती है, यह अज्ञात था। इन रहस्यों को उजागर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने क्वांटिक यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने केवल प्रयोगशाला में मौजूद सामग्री को नहीं देखा; बल्कि उन्होंने इसे अत्यधिक दबाव के अधीन किया, इसे शून्य से लेकर 20 गीगापास्कल तक दबाया। इस बल के पैमाने को देखने के लिए, कल्पना कीजिए कि सबसे गहरे महासागरीय गर्त के तल पर पाए जाने वाले दबाव को सैकड़ों गुना बढ़ा दिया गया है। इस वातावरण का अनुकरण करके, टीम यह देख सकी कि परमाणु कैसे पुनर्गठित हुए, इलेक्ट्रॉन कैसे चले, और बिना कठिन और महंगे उच्च-दबाव प्रयोगों के सामग्री की मजबूती और ऊष्मा संचालित करने की क्षमता कैसे बदली।
सिमुलेशन से पता चला कि Nb5Ir3N उल्लेखनीय रूप से सुदृढ़ है। जैसे-जैसे दबाव बढ़ा, क्रिस्टल संरचना सुचारू रूप से संकुचित हुई, उच्चतम दबाव पर आयतन में लगभग 6.7 प्रतिशत की कमी आई, फिर भी यह स्थिर रही और न तो ढही और न ही इसने अपना मौलिक आकार बदला। सामग्री यांत्रिक रूप से स्थिर साबित हुई, जिसका अर्थ है कि यह बिना टूटे तनाव को सहन कर सकती है, और गतिशील रूप से स्थिर थी, जिसका अर्थ है कि इसके परमाणु इस तरह से कंपन करते हैं जिससे संरचना बरकरार रहती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री तन्य (ductile) है, जिसका अर्थ है कि इसे बिना टूटे मोड़ा या आकार दिया जा सकता है, जो इसे इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में काम करने के लिए आसान बनाता है। इसके अलावा, दबाव बढ़ने के साथ सामग्री अपने व्यवहार में थोड़ी अधिक एकसमान हो गई, हालांकि इसने बल के लागू होने की दिशा के आधार पर अलग-अलग प्रतिक्रिया देने की हल्की प्राथमिकता बनाए रखी।
सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक सामग्री की कठोरता और घिसावट के प्रति इसकी प्रतिरोधक क्षमता से संबंधित था। जबकि कई सामग्रियां दबने पर कठोर हो जाती हैं, शोधकर्ताओं ने देखा कि दबाव बढ़ने के साथ Nb5Ir3N की सैद्धांतिक कठोरता वास्तव में थोड़ी कम हो गई। यह विरोधाभासी परिणाम बताता है कि हालांकि परमाणु एक-दूसरे के करीब पैक हो रहे हैं, उनके बीच के रासायनिक बंधों की प्रकृति इस तरह बदल जाती है कि सामग्री एक तीखे बिंदु के तहत अधिक आसानी से विकृत हो सकती है। इस कोमलता के बावजूद, सामग्री कुल मिलाकर बहुत कठोर बनी हुई है, जिसकी कठोरता का मान इसे कठोर सामग्रियों की श्रेणी में मजबूती से रखता है जो घिसावट-प्रतिरोधी अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि दबाव में सामग्री की ऊष्मा संचालित करने की क्षमता में सुधार होता है, और इसका गलनांक काफी बढ़ जाता है, जो उच्चतम दबाव पर 3800 केल्विन से ऊपर पहुंच जाता है। यह इंगित करता है कि सामग्री संभावित रूप से अत्यधिक गर्म वातावरण में जीवित रह सकती है, जो इसे उच्च-तापमान संरचनात्मक उपयोगों के लिए एक उम्मीदवार बनाता है।
सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुणों में भी दिलचस्प बदलाव आए। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि Nb5Ir3N एक धातु है, जिसमें इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होते हैं, और उन्होंने पाया कि अत्यधिक दबाव में भी इसकी धात्विक प्रकृति बनी रहती है। हालांकि, दबाव ने इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों को बदल दिया, विशेष रूप से उन स्तरों को जो सतह के पास हैं जहाँ सामग्री बिजली का संचालन करती है। इरिडियम जैसे भारी तत्वों के समावेश का अर्थ था कि इलेक्ट्रॉन के स्पिन और उसके कक्षीय पथ (orbit) के बीच की परस्पर क्रिया ने एक प्रमुख भूमिका निभाई, जिससे ऊर्जा बैंड इस तरह विभाजित हुए जो हल्की सामग्रियों में नहीं होते। यह विभाजन यह समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सामग्री कैसे व्यवहार कर सकती है। इसके प्रकाशीय (optical) गुण भी समान रूप से प्रकट करने वाले थे; सामग्री काफी मात्रा में प्रकाश को परावर्तित करती है, विशेष रूप से इन्फ्रारेड और दृश्य स्पेक्ट्रम में, और पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश को बहुत मजबूती से अवशोषित करती है। उच्च परावर्तन और मजबूत पराबैंगनी अवशोषण का यह संयोजन बताता है कि सामग्री विशिष्ट प्रकार के विकिरण के विरुद्ध ऑप्टिकल कोटिंग या सुरक्षा कवच के रूप में उपयोगी हो सकती है।
अंत में, टीम ने सामग्री की सुपरकंडक्टिंग प्रकृति का अध्ययन किया। हालांकि यह सामग्री कम तापमान पर पहले से ही सुपरकंडक्टिविटी प्रदर्शित करती है, सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि दबाव बढ़ाने से वास्तव में यह गुण थोड़ा कमजोर हो सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि संपीड़न के दौरान सुपरकंडक्टिविटी के लिए जिम्मेदार इलेक्ट्रॉन युग्म बनाने के लिए उपलब्ध इलेक्ट्रॉनों की संख्या कम हो जाती है। हालांकि शोधकर्ता और अधिक जटिल मॉडलिंग के बिना सटीक नई सुपरकंडक्टिंग तापमान की गणना नहीं कर सके, लेकिन उनके परिणाम एक नाटकीय सुधार के बजाय एक हल्की गिरावट की ओर संकेत करते हैं। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को जटिल यौगिकों में दबाव, इलेक्ट्रॉन घनत्व और सुपरकंडक्टिविटी के बीच नाजुक संतुलन को समझने में मदद करता है।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि Nb5Ir3_N एक बहुमुखी और स्थिर सामग्री है जिसके अद्वितीय यांत्रिक, तापीय और इलेक्ट्रॉनिक गुणों को दबाव लागू करके ट्यून किया जा सकता है। इसकी तन्यता, उच्च गलनांक और विशिष्ट प्रकाशीय प्रतिक्रियाएं इसे उच्च-तापमान संरचनात्मक घटकों से लेकर विशेष ऑप्टिकल उपकरणों तक, विभिन्न उन्नत अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाती हैं। सिम्युलेटेड दबाव के भारी वजन के तहत यह सामग्री कैसे व्यवहार करती है, इसका मानचित्र बनाकर, शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत ब्लूप्रिंट प्रदान किया है जिसका उपयोग भविष्य के संश्लेषण और परीक्षण के मार्गदर्शन के लिए प्रयोगात्मक वैज्ञानिकों द्वारा किया जा सकता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि भले ही कोई सामग्री पहले से ही एक सुपरकंडक्टर के रूप में ज्ञात हो, फिर भी इसमें व्यवहार की कई छिपी हुई परतें मौजूद हैं, जो सही परिस्थितियों के प्रकट होने की प्रतीक्षा कर रही हैं।
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