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Bulk Superconductivity in Rocksalt LaN $_{1-x}$

यह शोध पत्र हाई-प्रेशर लेजर फ्लोटिंग-ज़ोन प्रोसेसिंग के माध्यम से बल्क रॉकसाल्ट-स्ट्रक्चर्ड LaN $_{0.94}$ के संश्लेषण की रिपोर्ट करता है, जो इसे 5.95 K के संक्रमण तापमान (ट्रांज़िशन टेम्परेचर) के साथ पहला सुपरकंडक्टिंग दुर्लभ-पृथ्वी मोनोनाइट्राइड स्थापित करता है।

मूल लेखक: Caeli Benyacko, Lin-Ding Yuan, Josiah A. Turner, Laila Reimanis, Siyuan Ji, Cheng Li, Erick A. Lawrence, Hanna Z. Porter, James M. Rondinelli, Stephen D. Wilson

प्रकाशित 2026-09-22

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Caeli Benyacko, Lin-Ding Yuan, Josiah A. Turner, Laila Reimanis, Siyuan Ji, Cheng Li, Erick A. Lawrence, Hanna Z. Porter, James M. Rondinelli, Stephen D. Wilson

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

सामग्री विज्ञान की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर ऐसी पदार्थों की तलाश करते हैं जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन कर सकें। जब ऐसा होता है, तो वह पदार्थ एक अतिचालक (सुपरकंडक्टर) बन जाता है, एक ऐसी अवस्था जो अविश्वसनीय रूप से कुशल ऊर्जा हस्तांतरण और शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों की अनुमति देती है। दशकों से, शोधकर्ता दुर्लभ पृथ्वी धातुओं को नाइट्रोजन के साथ मिलाकर बनाए गए यौगिकों के एक परिवार का अध्ययन कर रहे हैं। ये सामग्रियां आमतौर पर एक विशिष्ट, कसकर पैक की गई क्रिस्टल संरचना बनाती हैं, लेकिन वे असामान्य चुंबकीय अवस्थाओं से लेकर अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) के रूप में कार्य करने तक, अजीब और विविध व्यवहारों के लिए जानी जाती हैं। इस परिवार के एक सदस्य, लैंथेनम नाइट्राइड, लंबे समय से बहस का विषय रहे हैं। जबकि कुछ शुरुआती प्रयोगों ने मामूली, आंशिक अतिचालकता की ओर संकेत किया था, अन्यों ने सुझाव दिया कि यह केवल एक धातु या अर्धचालक है। इसका अध्ययन करने में कठिनाई इसकी हवा और नमी के प्रति अत्यधिक संवेदनशीलता में निहित है, जो माप से पहले ही नमूने को खराब कर सकती है, और इस तथ्य में भी कि इसकी परमाणु संरचना शुद्ध लैंथेनम धातु के समान दिखती है, जिससे उन्हें मानक उपकरणों से अलग पहचानना कठिन हो जाता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक शुद्ध, बल्क नमूना बनाकर इस बहस को सुलझा लिया है और यह सिद्ध कर दिया है कि लैंथेनम नाइट्राइड वास्तव में एक अतिचालक है। इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने पारंपरिक तरीकों से बचा जो अक्सर सामग्री को अशुद्ध या क्षतिग्रस्त छोड़ देते हैं। इसके बजाय, उन्होंने एक विशेष भट्टी का उपयोग किया जो उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग करके सामग्री को पिघलाती है, जबकि यह नाइट्रोजन गैस से घिरी होती है जिसका दबाव हमारे द्वारा ली जाने वाली हवा से तीन हजार गुना अधिक होता है। इस उच्च-दबाव वाले वातावरण ने उन्हें धातु को गैस के साथ प्रतिक्रिया करने और फिर बनने वाले यौगिक को एक समान तरल में पिघलाने की अनुमति दी, जिसे फिर ठोस बनाने के लिए ठंडा किया गया। इस प्रक्रिया ने उन्हें एक ऐसा नमूना दिया जो रासायनिक रूप से सुसंगत था और उस संदूषण से मुक्त था जिसने पिछले प्रयासों को बाधित किया था।

जब टीम ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि इसकी एक विशिष्ट रासायनिक संरचना है, जिसमें एक आदर्श अनुपात की तुलना में थोड़ा कम नाइट्रोजन मौजूद है। यह मामूली कमी वास्तव में महत्वपूर्ण थी। कंप्यूटर सिमुलेशन ने पहले भविष्यवाणी की थी कि इस क्रिस्टल का एक पूर्णतः संतुलित संस्करण अस्थिर होगा और इसके ढहने या आकार बदलने की संभावना होगी। हालांकि, नाइट्रोजन परमाणुओं की यह मामूली कमी एक स्टेबलाइजर (स्थिर करने वाले) की तरह कार्य करती है, जिससे क्रिस्टल अपना आकार बनाए रखने और स्थिर रहने में सक्षम होता है। एक बार जब उन्होंने पुष्टि कर ली कि संरचना ठोस और शुद्ध है, तो उन्होंने इसके भौतिक गुणों का परीक्षण करना शुरू किया। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे वे इसे ठंडा करते गए, बिजली इस सामग्री के माध्यम से कैसे प्रवाहित होती है, उन्होंने पाया कि उच्च तापमान पर यह एक धातु की तरह व्यवहार करता है, लेकिन परम शून्य से छह डिग्री ऊपर के तापमान से ठीक नीचे गिरने पर अचानक सारा विद्युत प्रतिरोध खो देता है।

आगे के परीक्षणों ने पुष्टि की कि यह केवल एक सतही प्रभाव या अतिचालकता का एक छोटा, अलग हिस्सा नहीं था। सामग्री की चुंबकीय क्षेत्रों को प्रतिकर्षित करने की क्षमता और उसकी ऊष्मा क्षमता को मापकर, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि नमूने के पूरे बल्क (मुख्य भाग) ने अतिचालक अवस्था में संक्रमण किया है। उन्होंने यह भी पाया कि यह सामग्री शुद्ध लैंथेनम धातु की तुलना में दस गुना अधिक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र को सहन कर सकती है, इससे पहले कि वह अपनी अतिचालक क्षमता खो दे। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि अतिचालकता स्वयं नाइट्राइड यौगिक से आती है, न कि किसी बचे हुए धातु से। निष्कर्ष बताते हैं कि इस क्रिस्टल में परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था, विशेष रूप से जिस तरह से लैंथेनम परमाणुओं के बीच की दूरी रखी गई है, इस अवस्था को सक्षम करने में प्रमुख भूमिका निभाती है। हालांकि सटीक तंत्र अभी भी खोजा जा रहा है, यह खोज लैंथेनम नाइट्राइड को इसके दुर्लभ पृथ्वी यौगिकों के परिवार में पहला पुष्ट अतिचालक स्थापित करती है, जो वैज्ञानिकों के लिए समान सामग्रियों का पता लगाने और बिजली एवं चुंबकत्व को नियंत्रित करने के नए तरीके खोजने के द्वार खोलती है।

तकनीकी सारांश: रॉक साल्ट LaN $_{1-x}$ में बल्क सुपरकंडक्टिविटी (Bulk Superconductivity)

समस्या विवरण
दुर्लभ मृदा मोनोनाइट्राइड (LnN) परिवार, विशेष रूप से लैंथेनाइड नाइट्राइड्स, अपनी असामान्य इलेक्ट्रॉनिक विशेषताओं के लिए जाने जाते हैं, फिर भी इस श्रृंखला के भीतर बल्क सुपरकंडक्टिविटी का अस्तित्व एक खुला प्रश्न बना हुआ है। जबकि गैर-चुंबकीय रॉक साल्ट ट्रांजिशन मेटल नाइट्राइड्स सुप्रसिद्ध सुपरकंडक्टर्स हैं, LnN श्रृंखला में ऐतिहासिक रूप से पुष्ट बल्क सुपरकंडक्टिंग सदस्यों का अभाव रहा है। विशेष रूप से, लैंथेनम नाइट्राइड (LaN) की अंतर्निहित इलेक्ट्रॉनिक ग्राउंड स्टेट चर्चा का विषय रही है, जहाँ प्रथम-सिद्धांत सिमुलेशन (first-principles simulations) ने इसे या तो एक सेमीकंडक्टर या सेमीमेटल के रूप में अनुमानित किया है, जबकि प्रयोगात्मक रिपोर्ट अनिश्चित नाइट्रोजन रिक्तियों (nitrogen vacancies) और सामग्री की अत्यधिक वायु-संवेदनशीलता के कारण संदिग्ध रही हैं। LaN में सुपरकंडक्टिविटी की पिछली रिपोर्टें बहुत कम तापमान ( $T \approx 1.3$ K) पर आंशिक वॉल्यूम अंशों या फिलामेंटरी अवस्थाओं तक सीमित थीं, और पारंपरिक एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके मौलिक लैंथेनम (La) के फेस-सेंटर्ड क्यूबिक (FCC) पॉलीमोर्फ से LaN को अलग करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि उनके d-स्पेसिंग समान होते हैं।

कार्यप्रणाली (Methodology)
संश्लेषण चुनौतियों और चरण शुद्धता (phase purity) के मुद्दों को संबोधित करने के लिए, लेखकों ने एक उच्च-दबाव, लेजर-आधारित फ्लोटिंग-ज़ोन (HPLFZ) भट्टी का उपयोग किया।

संश्लेषण: भट्टी के भीतर उच्च-द meskipun दबाव वाली नाइट्रोजन गैस (3000 psi) के साथ लैंथेनम धातु की छड़ों की प्रतिक्रिया कराकर पॉलीक्रिस्टलाइन LaN का संश्लेषण किया गया। इस पद्धति ने प्रत्यक्ष दृश्य फीडबैक प्रदान किया और उच्च तापमान ( $\approx 2450^\circ$ C) पर नाइट्राइड्स को पिघलाने की अनुमति दी, जो कि मौलिक La के गलनांक ( $\approx 920^\circ$ C) से काफी अधिक है। इस प्रक्रिया में गैस वातावरण का कठोर शुद्धिकरण और सतह के ऑक्साइडों को हटाने के लिए "हॉट-पर्जिंग" शामिल थी।
अभिलक्षण (Characterization): क्रिस्टल संरचना और स्टोइकीओमेट्री को सत्यापित करने के लिए संयुक्त सिनक्रोट्रॉन एक्स-रे और न्यूट्रॉन पाउडर विवर्तन का उपयोग करके प्राप्त नमूनों का अभिलक्षण किया गया। नाइट्रोजन सबलैटिस को लैंथेनम सबलैटिस से अलग करने के लिए न्यूट्रॉन विवर्तन महत्वपूर्ण था।
भौतिक गुण मापन: पॉलीक्रिस्टलाइन नमूनों पर इलेक्ट्रिकल ट्रांसपोर्ट, हीट कैपेसिटी और मैग्नेटाइजेशन माप किए गए। वायु संपर्क को न्यूनतम करने के लिए सख्त प्रोटोकॉल लागू किए गए, जिसमें आर्गन ग्लोबबॉक्स में नमूने लोड करना और स्थानांतरण के दौरान सुरक्षात्मक कोटिंग (GE वार्निश, पैराफिल्म) का उपयोग करना शामिल था।
कंप्यूटेशनल मॉडलिंग: स्टोइकीओमेट्रिक LaN और नाइट्रोजन-कमी वाले LaN $_{1-x}$ दोनों के इलेक्ट्रॉनिक बैंड स्ट्रक्चर और फोनोन डिस्पर्सन (phonon dispersions) को मॉडल करने के लिए डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (DFT) गणनाएं की गईं।

मुख्य परिणाम

संरचनात्मक सत्यापन: संयुक्त विवर्तन डेटा ने एक फेज़-प्योर रॉक साल्ट संरचना के निर्माण की पुष्टि की। जबकि सिनक्रोट्रॉन एक्स-रे डेटा ने हेक्सागोनल La की एक ट्रेस मात्रा दिखाई, न्यूट्रॉन विवर्तन ने LaN $_{0.94}$ की स्टोइकीओमेट्री प्रकट की। परिष्कृत जालक पैरामीटर (refined lattice parameter) $a = 5.2990(2)$ Å था।
गतिक स्थिरता (Dynamic Stability): प्रथम-सिद्धांत गणनाओं ने संकेत दिया कि स्टोइकीओमेट्रिक रॉक साल्ट LaN गतिक रूप से अस्थिर है, जो नकारात्मक फोनोन शाखाओं (negative phonon branches) को प्रदर्शित करता है। हालांकि, नाइट्रोजन-कमी वाले LaN $_{0.963}$ (जो La $_{27}$ N $_{26}$ मॉडल के अनुरूप है जहाँ $x \approx 0.04$ ) के सिमुलेशन ने एक स्थिर फोनोन डिस्पर्सन दिखाया जिसमें कोई काल्पनिक शाखाएं (imaginary branches) नहीं थीं। यह पुष्टि करता है कि एक विरल नाइट्रोजन कमी, जो प्रयोगात्मक रूप से परिष्कृत LaN $_{0.94}$ ( $x \approx 0.06$ ) की स्टोइकीओमेट्री के अनुरूप है, क्यूबिक रॉक साल्ट संरचना को स्थिर करने के लिए पर्याप्त है।
सुपरकंडक्टिविटी:
- ट्रांसपोर्ट: इलेक्ट्रिकल रेसिस्टिविटी मापन ने 2 K तक धात्विक व्यवहार दिखाया, जिसमें $T_c = 5.95$ K पर एक सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन देखा गया।
- हीट कैपेसिटी: विशिष्ट ऊष्मा मापन ( $C_p/T$ बनाम $T^2$ ) ने $T_c$ पर एक बल्क सुपरकंडक्टिंग ट्रांजिशन की पुष्टि की, जिससे सोमरफेल्ड गुणांक $\gamma_e = 3.86 \pm 0.05$ mJ mol $^{-1}$ K $^{-2}$ प्राप्त हुआ। हीट कैपेसिटी में उछाल को छोटा नोट किया गया, जो संभावित रूप से एक अपरंपरागत अवस्था या नमूने के क्षरण का संकेत देता है।
- मैग्नेटाइजेशन: ज़ीरो-फील्ड कूल्ड (ZFC) मैग्नेटाइजेशन डेटा ने एक पूर्ण सुपरकंडक्टिंग वॉल्यूम अंश प्रकट किया। फील्ड-कूल्ड (FC) डेटा ने एक पैरामैग्नेटिक मीनर प्रभाव (paramagnetic Meissner effect) दिखाया, जिसे लेखक एक विषम सुपरकंडक्टर में फ्लक्स पिनिंग या सतह के संदूषण के कारण मानते हैं, न कि अंतर्निहित अपरंपरागत पेयरिंग के कारण।
- अपर क्रिटिकल फील्ड: बदलते चुंबकीय क्षेत्रों के तहत मापन ने अपर क्रिटिकल फील्ड ( $H_{c2}$ ) के एक्सट्रपोलेशन की अनुमति दी। गिन्ज़बर्ग-लैंडौ मॉडल का उपयोग करते हुए, $H_{c2}(0)$ का अनुमान 1.15 T लगाया गया, जो टाइप-I FCC La ( $\approx 0.11$ T) की तुलना में काफी अधिक है, जो पुष्टि करता है कि LaN $_{0.94}$ एक टाइप-II सुपरकंडक्टर है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र LaN $_{0.94}$ को दुर्लभ मृदा मोनोनाइट्राइड परिवार के पहले बल्क सुपरकंडक्टिंग सदस्य के रूप में स्थापित करता है। लेखक दावा करते हैं कि सुपरकंडक्टिविटी सामग्री के बल्क के लिए अंतर्निहित है, जो इसे पिछले फिलामेंटरी या आंशिक सुपरकंडक्टिविटी की रिपोर्टों से अलग करती है। अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि उच्च-दबाव ऑप्टिकल रिएक्टरों द्वारा प्रदान किया गया अद्वितीय प्रसंस्करण स्थान फेज़-प्योर, लगभग स्टोइकीओमेट्रिक LaN के संश्लेषण के लिए आवश्यक है, जो पारंपरिक डिफ्यूजन-लिमिटेड सिंथेसिस मार्गों की सीमाओं को पार करता है।

लेखक प्रस्तावित करते हैं कि LaN $_{0.94}$ में सुपरकंडक्टिविटी संभवतः FCC La सबलैटिस की मेटास्टेबल FCC पॉलीमोर्फ (जिसका समान $T_c$ है) और बाइनरी ऑक्साइड LaO के साथ संरचनात्मक समानता से प्रेरित है। वे सुझाव देते हैं कि FCC La सबलैटिस में अंतर्निहित जालक एनहारमोनिसिटी (lattice anharmonicity) इलेक्ट्रॉन पेयरिंग में प्रमुख भूमिका निभाती है, जो एक विलक्षण तंत्र के बजाय एक पारंपरिक BCS परिदृश्य का समर्थन करती है। यह कार्य चुंबकीय वेरिएंट और मिश्र धातुओं सहित LnN श्रृंखला की भविष्य की खोज को प्रेरित करता है, साथ ही यह भी नोट करता है कि संरचना को स्थिर करने और सुपरकंडक्टिंग अवस्था को प्रभावित करने में नाइट्रोजन रिक्तियों की विशिष्ट भूमिका के लिए आगे के सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक परिमाणीकरण की आवश्यकता है।

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