Aharonov-Bohm interference probing of chiral Andreev edge states via scanning gate microscopy

क्वांटम भौतिकी की विचित्र दुनिया में, इलेक्ट्रॉन हमेशा बाधाओं से टकराने वाली छोटी बिलियर्ड बॉल्स की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। सही परिस्थितियों में, विशेष रूप से जब किसी सामग्री को परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा किया जाता है और एक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र के अधीन किया जाता है, तो ये इलेक्ट्रॉन खुद को एक कठोर, एक-तरफ़ा ट्रैफ़िक प्रणाली में व्यवस्थित कर लेते हैं जिसे क्वांटम हॉल प्रभाव (quantum Hall effect) के रूप में जाना जाता है। उन्हें सामग्री के बिल्कुल किनारों के साथ यात्रा करने के लिए मजबूर किया जाता है, जो बिना पीछे मुड़े केवल एक ही दिशा में आगे बढ़ते हैं। यह व्यवहार इतना सुदृढ़ है कि यह टोपोलॉजी (topology) के मूलभूत नियमों द्वारा संरक्षित है, जिससे इसे बाधित करना लगभग असंभव हो जाता है। हालाँकि, जब वैज्ञानिक इस किनारे के संपर्क में एक सुपरकंडक्टर—एक ऐसी सामग्री जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करती है—लाते हैं, तो एक लुभावना रूपांतरण होता है। सुपरकंडक्टर में एक इलेक्ट्रॉन को "होल" (hole) में बदलने की एक अनूठी क्षमता होती है, जो अनिवार्य रूप से एक इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति है, और इसके विपरीत भी। जब यह रूपांतरण दोनों सामग्रियों के बीच की सीमा पर बार-बार होता है, तो यह 'काइरल एंड्रीव एज स्टेट' (chiral Andreev edge state) नामक एक हाइब्रिड अवस्था बनाता है। ये अवस्थाएं इलेक्ट्रॉन और होल का मिश्रण हैं, जो एक साथ इंटरफेस के साथ यात्रा करती हैं। इन हाइब्रिड अवस्थाओं के चलने और परस्पर क्रिया करने के तरीके को समझना क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए भविष्य की तकनीकों को विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन उन्हें सीधे देखना कठिन रहा है क्योंकि उनके संकेत अक्सर सामग्री के शोर भरे बैकग्राउंड (background) के पीछे छिपे रहते हैं।

AGH यूनिवर्सिटी ऑफ क्राको (AGH University of Krakow) के शोधकर्ताओं ने स्कैनिंग गेट माइक्रोस्कोपी नामक तकनीक का उपयोग करके इन मायावी अवस्थाओं को स्पष्ट रूप से देखने के लिए एक नई सैद्धांतिक विधि विकसित की है। एक बहुत ही सूक्ष्म, आवेशित सुई की कल्पना करें, जैसे कि एक परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (atomic force microscope) की नोक, जो सामग्री की सतह के ठीक ऊपर मंडरा रही है। जैसे ही यह नोक उपकरण के माध्यम से चलती है, यह एक स्थानीयकृत विद्युत गेट (localized electric gate) के रूप में कार्य करती है, जिससे एक छोटा विद्युत क्षमता का टीला (hill of electrical potential) बनता है जिसके चारों ओर इलेक्ट्रॉनों को घूमना पड़ता है। टीम ने इस प्रक्रिया को कंप्यूटर पर सिम्युलेट किया ताकि यह देखा जा सके कि काइरल एंड्रीव एज स्टेट्स इस चलते हुए अवरोध के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करेंगे। उन्होंने पाया कि जब नोक उस इंटरफेस के पास पहुँचती है जहाँ सुपरकंडक्टर सामान्य सामग्री से मिलता है, तो यह कुछ अप्रत्याशित करती है: यह मिश्रित इलेक्ट्रॉन और होल वाले हिस्से को अलग होने के लिए मजबूर करती है। एक एकल हाइब्रिड इकाई के रूप में एक साथ रहने के बजाय, इलेक्ट्रॉन और होल को अलग धकेल दिया जाता है और उन्हें नोक के विद्युत क्षेत्र के चारों ओर अलग-अलग पथों पर जाने के लिए मजबूर किया जाता है।

यह अलगाव एक उल्लेखनीय प्रभाव पैदा करता है। क्योंकि इलेक्ट्रॉन और होल नोक के चारों ओर थोड़े अलग मार्गों पर चलते हैं, वे अपने क्वांटम फेज (phase) में अंतर संचित करते हैं, जो उनकी तरंग-जैसी प्रकृति और चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से उनकी गति से संबंधित एक गुण है। जब वे नोक से गुजरने के बाद अंततः पुनर्संयोजित (recombine) होते हैं, तो यह फेज का अंतर उनके बीच हस्तक्षेप (interference) पैदा करता है, ठीक वैसे ही जैसे तालाब में उठने वाली लहरें आपस में मिलकर चोटियों और घाटियों का पैटर्न बनाती हैं। शोधकर्ताओं ने देखा कि यह हस्तक्षेप उपकरण के विद्युत चालकता (conductance) में एक तीव्र, लयबद्ध दोलन (oscillation) के रूप में दिखाई देता है। जैसे-जैसे नोक चलती है, इन दोलनों को मापकर, वे सटीक रूप से मानचित्रित कर सकते हैं कि काइरल एंड्रीव एज स्टेट्स कहाँ स्थित हैं और वे कैसे व्यवहार करते हैं। टीम ने पुष्टि की कि यह पैटर्न केवल एक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव नहीं है बल्कि अहारोनोव-बोम प्रभाव (Aharonov-Bohm effect) का एक सीधा संकेत है, जो एक ऐसी घटना है जहाँ आवेशित कण चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित होते हैं भले ही वे सीधे उसके माध्यम से न गुजर रहे हों।

अध्ययन ने यह परीक्षण करने के लिए आगे बढ़कर देखा कि यह विधि अधिक जटिल और अव्यवस्थित स्थितियों में कितनी प्रभावी है। वास्तविक दुनिया में, सामग्रियां कभी भी पूर्ण नहीं होतीं; उनमें अशुद्धियाँ और दोष होते हैं जो आमतौर पर नाजुक क्वांटम संकेतों को अस्त-व्यस्त कर देते हैं। शोधकर्ताओं ने एक उपकरण को विकार (disorder) से भरा हुआ सिम्युलेट किया ताकि यह देख सकें कि क्या उनकी विधि अभी भी काम करेगी। उन्होंने पाया कि जबकि विकार ने पूर्ण सामग्रियों में देखे गए साफ, दोहराव वाले पैटर्न को नष्ट कर दिया, फिर भी स्कैनिंग गेट तकनीक ने एज स्टेट्स की उपस्थिति को प्रकट करने में सफलता प्राप्त की। एक "गंदे" सिस्टम में भी, नोक अभी भी इलेक्ट्रॉन और होल के पथों को अलग करने में सक्षम थी, जिससे एक स्थानीयकृत संकेत उत्पन्न हुआ जो शोर के बीच भी अलग दिखाई दिया। यह सुझाव देता है कि यह तकनीक वास्तविक प्रयोगों में उपयोग करने के लिए पर्याप्त सुदृढ़ है, भले ही सामग्रियां त्रुटिहीन न हों।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब सामग्री को उच्च "फिलिंग फैक्टर" (filling factor) पर सेट किया जाता है, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ इलेक्ट्रॉनों के लिए अधिक विशिष्ट पथ मौजूद होते हैं। इस परिदृश्य में, नोक एक साथ कई एज चैनलों के साथ परस्पर क्रिया करती है। जैसे-जैसे नोक इंटरफेस के करीब आती है, यह पहले बाहरी पथ को बाधित करती है, जिससे एक स्थानीयकृत हस्तक्षेप लूप बनता है, और फिर धीरे-धीरे आंतरिक पथों को प्रभावित करती है। यह गतिशील परस्पर क्रिया बताती है कि विभिन्न चैनल कैसे मिश्रित होते हैं और बिजली का परिवहन करते हैं, जिससे दोलनों का एक जटिल लेकिन पता लगाने योग्य पैटर्न बनता है। टीम ने प्रदर्शित किया कि इन संकेतों के आयाम (amplitude) और व्यवहार का विश्लेषण करके, एक विभिन्न संख्या में एज चैनलों के बीच अंतर कर सकता है। सरल और जटिल अवस्थाओं के बीच अंतर करने की यह क्षमता इन हाइब्रिड सिस्टम के अंतर्निहित भौतिकी को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

अंततः, यह कार्य प्रयोगशाला में काइरल एंड्रीव एज स्टेट्स का पता लगाने और अध्ययन करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। चलते हुए विद्युत टिप का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों और होल्स को धीरे से अलग करके, वैज्ञानिक इन छिपी हुई क्वांटम अवस्थाओं को एक विशिष्ट चालकता दोलन पैटर्न के माध्यम से प्रकट करने के लिए मजबूर कर सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि यह विधि सुपरकंडक्टर्स और क्वांटम हॉल सामग्रियों के बीच के इंटरफेस की जांच करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो अपूर्ण, वास्तविक दुनिया की स्थितियों में भी इन अवस्थाओं को देखने और हेरफेर करने का एक तरीका प्रदान करती है। यह स्पष्टता स्थिर क्वांटम कंप्यूटर बनाने और नए प्रकार के टोपोलॉजिकल पदार्थ की खोज करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम हो सकती है।