Solid-State Dealloying Enables Local Symmetry Breaking in Ternary Intermetallic Thin Films
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि उच्च-तापमान एनीलिंग के माध्यम से एपिटैक्सियल La-Ag-Ge पतली फिल्मों के सॉलिड-स्टेट डीअलॉयिंग (dealloying) से स्थानीय समरूपता-भंजन विरूपण (symmetry-breaking distortions) उत्पन्न होते हैं और एक ध्रुवीय गैर-केंद्रसममित चरण को विवर्तन-औसत केंद्रसममित सुपरकंडक्टर में परिवर्तित किया जाता है, जिससे उन्नत इलेक्ट्रॉनिक गुणों वाले मेटास्टेबल क्वांटम सामग्रियों के नियत संश्लेषण के लिए एक मार्ग स्थापित होता है।
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पदार्थ विज्ञान की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर ऐसे नए पदार्थों की खोज करते हैं जो उन तरीकों से व्यवहार करते हैं जैसे साधारण सामग्रियां नहीं करतीं। इन्हें क्वांटम सामग्रियां कहा जाता है, और वे बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन कर सकती हैं या सूचनाओं को उन तरीकों से ले जा सकती हैं जो हमारी रोजमर्रा की समझ को चुनौती देते हैं। इन अजीब व्यवहारों को समझने की एक कुंजी अक्सर सामग्री के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था होती है। यदि परमाणु एक पूर्णतः संतुलित, सममित पैटर्न में व्यवस्थित हैं, तो सामग्री एक तरह से व्यवहार कर सकती है। लेकिन यदि वह समरूपता टूट जाती है—यदि परमाणु एक विशिष्ट दिशा में थोड़े खिसक या झुक जाते हैं—तो सामग्री अचानक नए, उपयोगी गुण प्राप्त कर सकती है। चुनौती यह है कि इनमें से कई दिलचस्प, टूटी हुई-समरूपता वाली अवस्थाएं अस्थिर होती हैं। वे केवल स्थितियों की एक संकीली सीमा में मौजूद होती हैं और यदि आप उन्हें मानक तरीकों से बनाने की कोशिश करते हैं, तो वे अक्सर गायब हो जाती हैं। इनका अध्ययन करने के लिए, शोधकर्ताओं को उन्हें उनकी नाजुक संरचना को नष्ट किए बिना बनाने का एक तरीका खोजना होगा, और फिर उनके रहस्यों को मापने के लिए उन्हें पर्याप्त स्थिर रखना होगा।
कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और द ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक यही करने का एक चतुर तरीका खोजा है। उन्होंने तीन तत्वों के एक विशिष्ट मिश्रण पर ध्यान केंद्रित किया: लैंथेनम, सिल्वर (चांदी), और जर्मेनियम। जब इन्हें सीधे एक क्रिस्टल की सतह पर उगाया जाता है, तो ये तत्व स्वाभाविक रूप से एक ऐसी संरचना बनाते हैं जहाँ सिल्वर और जर्मेनियम के परमाणु एक लहरदार, ध्रुवीय पैटर्न में एक के ऊपर एक रखे होते हैं। यह व्यवस्था स्थिर है, लेकिन इसमें वे विशेष इलेक्ट्रॉनिक गुण नहीं हैं जिनका वैज्ञानिक अध्ययन करना चाहते थे। उन्हें एक अलग संरचना की आवश्यकता थी, जहाँ सिल्वर और जर्मेनम के परमाणु एक सपाट, हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते जैसी) शीट बनाते, जो मैग्नीशियम डिबोराइडड जैसे एक प्रसिद्ध सुपरकंडक्टर में पाई जाने वाली परतों के समान हो। हालाँकि, इस सपाट संरचना को सीधे उगाने की कोशिश विफल रही; परमाणु बस उस आकार में बसने से इनकार कर देते थे।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक तकनीक का उपयोग किया जिसे वे 'सॉलिड-स्टेट डीअलॉयिंग' कहते हैं। सबसे पहले, उन्होंने एक विधि का उपयोग करके नीलम (सैफायर) क्रिस्टल पर इस स्थिर, लहरदार संस्करण को उगाया, जिसमें सतह पर एक-एक करके परमाणुओं को छिड़का जाता है। एक बार जब यह प्रारंभिक फिल्म अपनी जगह पर आ गई, तो उन्होंने इसे 800 से 900 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक गर्म किया और पास में ही सिल्वर की आपूर्ति बनाए रखी। इस गर्मी ने एक कोमल लेकिन दृढ़ धक्के की तरह काम किया। इसने सिल्वर परमाणुओं को नियंत्रित तरीके से फिल्म से बाहर निकलने के लिए प्रेरित किया, लेकिन सभी को नहीं। जैसे-जैसे सिल्वर बाहर निकला, शेष परमाणुओं ने खुद को पुनर्गठित किया। लहरदार, ध्रुवीय संरचना ढह गई और सपाट हो गई, बदलकर वांछित हनीकॉम्ब पैटर्न में। इस प्रक्रिया ने एक स्थिर, गैर-सुपरकंडक्टिंग सामग्री को एक नई, मेटास्टेबल अवस्था में बदल दिया जो बहुत कम तापमान पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन कर सकती थी।
यह परिवर्तन केवल औसत आकार में बदलाव नहीं था; इसने एक छिपी हुई जटिलता को प्रकट किया। जब वैज्ञानिकों ने व्यक्तिगत परमाणुओं को देख सकने वाले इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी से नई फिल्म को देखा, तो उन्होंने पाया कि संरचना हर जगह पूरी तरह से सपाट नहीं थी। जबकि समग्र पैटर्न एक सपाट हनीकॉम्ब जैसा दिखता था, सिल्वर और जर्मेनियम के परमाणु वास्तव में छोटे, स्थानीय पैच में ऊपर और नीचे खिसक रहे थे। कुछ ऊपर की ओर खिसके थे, कुछ नीचे की ओर। इसका मतलब है कि जबकि सामग्री दूर से सममित दिखती है, स्थानीय स्तर पर यह टूटी हुई और असमान है। ये सूक्ष्म, स्थानीय विरूपण (डिस्टॉर्शन) ठीक वे विशेषताएं हैं जो इलेक्ट्रॉनों की गति को प्रभावित कर सकती हैं, जिससे संभावित रूप से देखे गए अद्वितीय सुपरकconducting व्यवहार की ओर ले जा सकती हैं।
नई सामग्री एक सुपरकंडक्टर साबित हुई, जिसका अर्थ है कि यह ऊर्जा की हानि के बिना विद्युत धारा ले जा सकती है, लेकिन केवल एक केल्विन से कम तापमान पर ठंडा होने पर। यह गहरे अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री की सुपरकंडक्टिविटी की क्षमता फिल्म में बचे हुए सिल्वर की मात्रा और फिल्म की मोटाई पर बहुत अधिक निर्भर करती है। सबसे अच्छे परिणाम उन फिल्मों से मिले जो बहुत पतली थीं, लगभग 14 से 17 नैनोमीटर मोटी, और जिनमें लैंथेनम के अनुपात में सिल्वर का एक विशिष्ट अनुपात था। इन पतली फिल्मों में, सुपरकंडक्टिंग अवस्था आश्चर्यजनक रूप से मजबूत थी। जब उन्होंने सुपरकंडक्टिविटी को रोकने के लिए चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो सामग्री ने एक साधारण पदार्थ के प्रकार के लिए अनुमानित सैद्धांतिक सीमा की तुलना में बहुत अधिक प्रतिरोध दिखाया। विशेष रूप से, फिल्म की सतह के समानांतर लागू किए गए चुंबकीय क्षेत्र को रोकने के लिए आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र, एक सरल, कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाले सुपरकंडक्टर के लिए सैद्धांतिक सीमा की तुलना में लगभग 1.8 से 5.0 के कारक से बढ़ गया था, जिसमें सबसे पतली सुपरकंडक्टिंग फिल्में आम तौर पर लगभग 6 का वृद्धि कारक तक पहुँच गईं।
चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति यह प्रतिरोध सुझाव देता है कि फिल्म के भीतर की स्थानीय, टूटी हुई समरूपता कुछ महत्वपूर्ण कार्य कर रही है। शोधकर्ताओं को संदेह है कि परमाणुओं का ऊपर-नीचे खिसकना इलेक्ट्रॉनों के लिए एक विशेष वातावरण बनाता है, जो उन्हें चुंबकीय क्षेत्र द्वारा उनकी सुपरकंडक्टिंग अवस्था से बाहर धकेले जाने से बचाता है। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि यदि फिल्म को बहुत पतला बनाया गया, जो लगभग 5.3 नमीटर से कम था, तो बिजली बिल्कुल भी प्रवाहित नहीं हो सकी, संभवतः इसलिए क्योंकि सामग्री में विकार (डिऑर्डर) बहुत अधिक हो गया था। यह एक स्पष्ट सीमा निर्धारित करता है कि इन फिल्मों को कार्य करने योग्य रहते हुए कितना छोटा बनाया जा सकता है।
चरण-दर-चरण निर्माण प्रक्रिया के साथ सटीक हीटिंग को जोड़कर, टीम ने उन सामग्रियों तक पहुँचने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया जो आमतौर पर बनाना असंभव है। उन्होंने दिखाया कि आप एक स्थिर, आसानी से उगाई जाने वाली संरचना से शुरू कर सकते हैं और फिर परमाणुओं को चुनि적으로 हटाने और सामग्री को एक नए, अधिक जटिल आकार में बदलने के लिए गर्मी का उपयोग कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण अन्य अस्थिर, उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्रियों को बनाने का द्वार खोलता है जिन्हें पारंपरिक तरीकों से छोड़ा जा सकता था। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे सूक्ष्म स्तर पर परमाणुओं की व्यवस्था को नियंत्रित करना किसी सामग्री के व्यवहार में नाटकीय बदलाव ला सकता है, जो इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए एक नया टूलकिट प्रदान करता है जो भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाना चाहते हैं।
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