Polar vibrational excitations and glass-like response in relaxor PMN
प्रथम-सिद्धांत डेटा पर प्रशिक्षित परमाणु मॉडल का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रकट करता है कि रिलैक्सर PMN में संरचनात्मक विकार ध्रुवीय कंपन उत्तेजनाओं के एक निरंतर प्रवाह और अर्ध-स्थानीय मोड के बोसन पीक (boson peak) को उत्पन्न करता है, जो सामूहिक रूप से सामग्री की समवर्ती क्रिस्टलीय व्यवस्था और ग्लास-समान ढालात्मक, प्रकाशीय और तापीय प्रतिक्रियाओं की व्याख्या करते हैं।
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कुछ सामग्रियां कठोर क्रिस्टल होती हैं, जिनके परमाणु परेड में चलते सैनिकों की तरह सटीक, दोहराव वाली पंक्तियों में बंधे होते हैं। अन्य ग्लास (कांच) की तरह होती हैं, जहाँ परमाणु एक अराजक, उलझी हुई भीड़ की तरह जमे हुए होते हैं, जैसे व्यस्त सड़क पर चलते लोगों का समूह अचानक रुक गया हो। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि ये दोनों अवस्थाएं गर्म या ठंडा होने पर बहुत अलग व्यवहार करती हैं। लेकिन एक तीसरी, पहेलीनुमा श्रेणी भी है जो चुनाव करने से इनकार कर देती है। इन्हें 'रिलैक्सर फेरोइलेक्ट्रिक्स' कहा जाता है। सूक्ष्मदर्शी के नीचे ये पूर्ण क्रिस्टल की तरह दिखते हैं, फिर भी जब आप इन्हें ठंडा करते हैं, तो ये ग्लास की तरह व्यवहार करने लगते हैं, और विद्युत क्षेत्रों के प्रति अपनी प्रतिक्रिया देने की क्षमता खो देते हैं। यह अजीब व्यवहार इन्हें सेंसर और कैपेसिटर के लिए अविश्वसनीय रूप से उपयोगी बनाता है, लेकिन यह भौतिकविदों को भी चकरा देता है। कोई सामग्री एक ही समय में व्यवस्थित और अव्यवस्थित कैसे हो सकती है, और यह द्वैत इसे इतना विचित्र क्यों बनाता है?
प्रिंसटन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने PMN नामक एक विशिष्ट सामग्री का अध्ययन करके इस रहस्य को सुलझाना शुरू कर दिया है। व्यक्तिगत परमाणुओं के व्यवहार की नकल करने वाले शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि रहस्य इस बात में छिपा है कि सामग्री का आंतरिक विकार (disorder) उसकी कंपन करने की क्षमता से कैसे जुड़ता है। एक सामान्य क्रिस्टल में, परमाणु व्यवस्थित, समकालिक पैटर्न में कंपन करते हैं, और केवल कुछ विशिष्ट कंपन ही बिजली के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं। हालाँकि, PMN में, विभिन्न प्रकार के परमाणुओं का यादृच्छिक मिश्रण इस व्यवस्था को तोड़ देता है। यह विकार सामग्री के प्रत्येक कंपन को विद्युत रूप से सक्रिय बना देता है। कुछ विशिष्ट स्वरों के बजाय, यह सामग्री आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में निरंतर, विद्युत कंपनों की एक गूँज पैदा करती है। यह खोज बताती है कि PM-एन एक ऐसे तरीके से विद्युत क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया क्यों करती है जैसा कोई साधारण क्रिस्टल कभी नहीं कर सकता।
शोधकर्ताओं ने अपने मॉडल का निर्माण इस तरह किया कि कंप्यूटर को इस सामग्री के भौतिकी के नियमों को समझने के लिए प्रशिक्षित किया गया, जिसमें उच्च-स्तरीय क्वांटम गणनाओं के डेटा का उपयोग किया गया। उन्होंने PMN का एक डिजिटल संस्करण बनाया जिसमें शामिल था कि इसके परमाणु किस तरह मिश्रित हैं: कुछ क्षेत्र पूरी तरह से व्यवस्थित हैं, जबकि अन्य एक यादृच्छिक जमावड़ा हैं। फिर उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे वे इसे एक गर्म, तरल अवस्था से ठंडी, ठोस अवस्था में बदलते हैं, यह डिजिटल सामग्री कैसा व्यवहार करती है। जैसे-जैसे तापमान गिरा, कंप्यूटर ने दिखाया कि परमाणुओं के छोटे समूह अपने विद्युत दिशाओं को संरेखित करने लगे, लेकिन उन्होंने ऐसा एक अराजक, जमे हुए पैटर्न में किया जो कभी भी एक एकल व्यवस्था में स्थिर नहीं हो सका। इसने पुष्टि की कि सामग्री का "ग्लास-जैसा" व्यवहार इन अव्यवस्था के छोटे, जमे हुए क्षेत्रों से आता है, जो एक जाम की हुई भीड़ की तरह कार्य करते हैं जो अब स्वतंत्र रूप से हिल नहीं सकती।
यह खोज विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सामग्री के विद्युत गुणों को उसके तापीय गुणों से जोड़ती है। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि PMN में मौजूद विकार कम-आवृत्ति वाले कंपनों की एक अतिरिक्त मात्रा पैदा करता है जो सामान्य क्रिस्टल में मौजूद नहीं होते हैं। ये अतिरिक्त कंपन ठोस के माध्यम से यात्रा करने वाली ध्वनि की चिकनी, तरंग जैसी गति नहीं हैं। इसके बजाय, ये स्थानीयकृत झटके (jiggles) हैं, जहाँ परमाणुओं के छोटे समूह जोर से हिलते हैं जबकि उनके पड़ोसी शायद ही हिलते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन झटकों की ऊर्जा एक बहुत ही विशिष्ट गणितीय नियम का पालन करती है, जो साधारण खिड़की वाले कांच में भी देखा जाता है। कम ऊर्जा वाले इन अतिरिक्त कंपनों के कारण ही PMN अन्य क्रिस्टल की तुलना में गर्मी को अलग तरह से अवशोषित करता है, और परम शून्य तापमान के ठीक ऊपर इसकी ऊष्मा क्षमता (heat capacity) में एक विशिष्ट शिखर दिखाई देता है।
अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि PM-एन माइक्रोवेव रेंज में विद्युत क्षेत्रों के प्रति क्यों प्रतिक्रिया करता है, जो रडार और संचार में उपयोग की जाने वाली एक आवृत्ति बैंड है, जबकि सामान्य क्रिस्टल केवल बहुत उच्च आवृत्तियों पर प्रतिक्रिया करते हैं। क्योंकि विकार हर कंपन को विद्युत रूप से संवेदनशील बनाता है, इसलिए सामग्री धीमी, कोमल विद्युत धक्कों के प्रति भी प्रतिक्रिया कर सकती है। एक सामान्य क्रिस्टल में, परमाणु इतने व्यवस्थित होते हैं कि वे इन धीमी धक्कों को महसूस नहीं कर पाते; वे केवल तीव्र, उच्च-ऊर्जा वाले झटकों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि PMN में कंपनों का निरंतर स्पेक्ट्रम एक विस्तृत सीमा में ऊर्जा को अवशोषित करने की अनुमति देता है, जिससे व्यवस्थित सामग्रियों में देखे जाने वाले तीक्ष्ण, संकीर्ण स्पाइक्स के बजाय एक सुचारू, व्यापक प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है। यह निरंतर प्रतिक्रिया ही इस सामग्री की ऊर्जा को कुशलतापूर्वक संग्रहीत करने और मुक्त करने की अनूठी क्षमता की कुंजी है।
परमाणुओं के सूक्ष्म अराजक व्यवहार को सामग्री के स्थूल (macroscopic) व्यवहार से जोड़कर, यह अध्ययन एक पूर्ण चित्र प्रदान करता है कि रिलैक्सर इतने असामान्य क्यों हैं। विकार केवल वहां मौजूद नहीं रहता; यह सक्रिय रूप से सामग्री के कंपन के तरीके को बदल देता है, जिससे प्रत्येक कंपन एक विद्युत संकेत में बदल जाता है और कांच के व्यवहार की नकल करने वाले निम्न-ऊर्जा आंदोलनों की एक अतिरिक्त मात्रा पैदा होती है। यह कार्य केवल यह नहीं बताता कि क्या होता है; यह तंत्र की व्याख्या करता है, यह दिखाते हुए कि PMN के अजीब तापीय और विद्युत गुण एक ही सिक्के के दो पहलू हैं, जो दोनों ही एक ही अंतर्निहित विकार से संचालित हैं। हालांकि सिमुलेशन लंबी अवधि में होने वाली अत्यंत धीमी गतिविधियों को कैप्चर नहीं कर सके, लेकिन उन्होंने उच्च आवृत्तियों और तापमानों पर सामग्री के व्यवहार को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया, जिससे दशकों से वैज्ञानिकों को उलझाने वाली घटना की परमाणु-दर-परमाणु स्पष्ट व्याख्या प्राप्त हुई।
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