Pomeranchuk-like electronic localization above 100 K in twisted MoS$_{2}$

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की सूक्ष्म दुनिया में, वैज्ञानिक परमाणु दर परमाणु सामग्रियां बनाना सीख रहे हैं, जहाँ वे ताश के पत्तों की गड्डी की तरह पतली परतों को एक के ऊपर एक रखकर बिजली के प्रवाह के लिए पूरी तरह से नए नियम बना रहे हैं। जब ऐसी दो परतों को एक-दूसरे के विरुद्ध थोड़ा घुमाया जाता है, तो वे एक विशाल, दोहराव वाला पैटर्न बनाती हैं जिसे 'मोइरे सुपरलैटिस' (moiré superlattice) कहा जाता है। यह पैटर्न इलेक्ट्रॉनों के लिए एक नए प्रकार का परिदृश्य बनाता है, जो उन्हें संकीर्ण घाटियों में फँसा देता है जहाँ वे एक-दूसरे के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया करते हैं। आमतौर पर, जब इलेक्ट्रॉन बहुत अधिक भीड़भाड़ वाले या बहुत ठंडे हो जाते हैं, तो वे एक कठोर, कुचालक अवस्था में जम जाते हैं। हालाँकि, कुछ विशेष सामग्रियों में, उन्हें गर्म करने से वे वास्तव में और भी अधिक जम सकते हैं। यह प्रति-सहज व्यवहार, जहाँ गर्मी व्यवस्था को तोड़ने के बजाय उसे मजबूत करती है, 'पोमेरेंचुक प्रभाव' (Pomeranchuk effect) के रूप में जाना जाता है, जिसका नाम उस भौतिक विज्ञानी के नाम पर रखा गया है जिन्होंने दशकों पहले तरल हीलियम में इसकी भविष्यवाणी की थी। ठोस सामग्रियों में यह कैसे और क्यों होता है, इसे समझना बिजली और सूचना को नियंत्रित करने के नए तरीके खोल सकता है, लेकिन एक ऐसी सामग्री खोजना जो इस प्रभाव को आसानी से पहुँचने योग्य तापमान पर स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करे, एक बड़ी चुनौती रही है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब 'ट्विस्टेड मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड' (twisted molybdenum disulfide) या MoS2 नामक सामग्री में इस विचित्र घटना को देखने का एक तरीका खोज लिया है। इस अर्धचालक की दो परतों को सावधानीपूर्वक एक के ऊपर एक रखकर और उन्हें बहुत विशिष्ट कोणों पर घुमाकर, उन्होंने एक ऐसा मंच बनाया है जहाँ इलेक्ट्रॉन आश्चर्यजनक व्यवहार करते हैं। वैज्ञानिकों ने "कंडक्शन बैंड" (conduction band) पर ध्यान केंद्रित किया, जो वह पथ है जिससे इलेक्ट्रॉन तब स्वतंत्र रूप से चलते हैं जब वे धारा प्रवाहित करते हैं, न कि "वेलेंस बैंड" (valence band) पर जहाँ वे आमतौर पर स्थिर रहते हैं। जबकि समान सामग्रियों पर पिछले अध्ययनों ने मुख्य रूप से स्थिर इलेक्ट्रॉनों को देखा था, इस टीम ने चलते हुए इलेक्ट्रॉनों का अध्ययन करने में सफलता प्राप्त की, जिससे उन्होंने एक महत्वपूर्ण तकनीकी बाधा को पार किया: अत्यंत कम तापमान पर सामग्री के साथ स्थिर विद्युत संबंध बनाना बिना उसे नुकसान पहुँचाए। वे एक विशेष डिज़ाइन का उपयोग करके सफल हुए जो सामग्री को एक छोटे से झरोखे के माध्यम से उजागर करता है, जिससे उन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब से लेकर कमरे के तापमान तक बिजली के प्रवाह को मापने की अनुमति मिलती है।

शोधकर्ताओं ने कई नमूनों का परीक्षण किया, जिनमें से प्रत्येक को लगभग 2.3 डिग्री से 3.5 डिग्री के बीच थोड़े अलग कोण पर घुमाया गया था। उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार इस कोण के आधार पर नाटकीय रूप से बदल जाता है। सबसे छोटे ट्विस्ट वाले नमूनों में, इलेक्ट्रॉनों ने एक स्थिर, व्यवस्थित अवस्था बनाई जो 160 केल्विन जैसे उच्च तापमान तक जीवित रह सकती है, जो तरल नाइट्रोजन के उबलते बिंदु से काफी ऊपर है। जैसे-जैसे उन्होंने मध्यवर्ती स्तर तक ट्विस्ट कोण बढ़ाया, यह स्थिरता ढह गई, और व्यवस्थित अवस्था केवल 20 से 30 केल्विन के आसपास के तापमान पर ही जीवित रह सकती थी। लेकिन सबसे आश्चर्यजनक खोज लगभग 3.5 डिग्री के सबसे बड़े ट्विस्ट कोण वाले नमूने से मिली। इस विशिष्ट विन्यास में, जब शोधकर्ताओं ने सामग्री को गर्म किया, तो इलेक्ट्रॉन उम्मीद के मुताबिक अधिक स्वतंत्र रूप रूप से नहीं चलने लगे। इसके बजाय, गर्मी ने उन्हें और भी मजबूती से अपनी जगह पर फँसा दिया। यह पोमेरेंचुक-जैसे प्रभाव की पहचान है: तापीय ऊर्जा, जो आमतौर पर बर्फ या धातु को पिघलाती है, इसके बजाय इलेक्ट्रॉनों को एक स्थानीयकृत, कुचालक अवस्था में लॉक करने में मदद कर रही थी।

यह ताप-प्रेरित लॉकिंग विशेष रूप से उस विशिष्ट घनत्व पर मजबूत थी जहाँ पैटर्न की प्रत्येक पुनरावृत्ति इकाई के लिए ठीक एक इलेक्ट्रॉन था। जैसे-जैसे तापमान परम शून्य से बढ़कर लगभग 50 केल्विन हुआ, सामग्री का विद्युत प्रतिरोध बढ़ गया, जो यह संकेत देता है कि इलेक्ट्रॉन अधिक स्थानीयकृत (localized) हो रहे हैं। और भी उल्लेखनीय रूप से, दो इलेक्ट्रॉन प्रति इकाई घनत्व पर, यह विचित्र व्यवहार 100 केल्विन से ऊपर के तापमान पर भी बना रहा, भले ही संकेत कमजोर था। शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए कि इन इलेक्ट्रॉनों को क्या चीज़ थामे हुए है, चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया का भी परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि प्रभाव चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के प्रति अत्यधिक संवेदनशील था। सामग्री के लंबवत (perpendicular) लगाया गया चुंबकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को और भी कसकर चिपका देता है, लेकिन सतह के समानांतर (parallel) लगाया गया क्षेत्र लगभग कोई प्रभाव नहीं डालता था। यह ट्विस्टेड ग्राफीन में देखे गए समान प्रभावों से भिन्न है, जहाँ इलेक्ट्रॉन किसी भी दिशा से आने वाले चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अधिक समान रूप से प्रतिक्रिया करते हैं। यह गहरा अंतर बताता है कि इस ट्विस्टेड MoS2 में इलेक्ट्रॉन केवल एक साधारण तरीके से स्पिन नहीं कर रहे हैं; वे संभवतः परतों में अपने स्थान और सामग्री की परमाणु संरचना से संबंधित अपने विशिष्ट क्वांटम गुणों के जटिल मिश्रण से प्रभावित हैं।

अध्ययन यह सुझाव देता है कि ये इलेक्ट्रॉन एक भारी तरल की तरह व्यवहार कर रहे हैं, जो सामान्य इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत धीमी गति से चलते हैं, जो 'हेवी फर्मी लिक्विड' (heavy Fermi liquid) नामक पदार्थ की अवस्था की ओर संकेत करता है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि इलेक्ट्रॉन स्थानीय चुंबकीय क्षण (magnetic moments) बना रहे हैं जो उतार-चढ़ाव करते हैं, और ऊष्मा इन उतार-चढ़ाव को स्थिर करने में मदद करती है, जिससे प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनों को फँसा दिया जाता है। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाती है कि ट्विस्ट कोण केवल अंतःक्रियाओं की शक्ति को बढ़ाने या घटाने वाला डायल नहीं है, बल्कि एक ऐसा उपकरण है जो मौलिक रूप से सामग्री की प्रकृति को बदल सकता है। कोण को ट्यून करके, वैज्ञानिक मजबूत उच्च-तापमान व्यवस्था, एक नाजुक मध्यवर्ती अवस्था और इस असामान्य शासन (regime) के बीच स्विच कर सकते हैं जहाँ ऊष्मा व्यवस्था को सुदृढ़ करती है। यह तथ्य कि इस प्रभाव को 100 केल्विन से ऊपर के तापमान पर देखा जा सकता है, इसे भविष्य के अध्ययन के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है, जो यह समझने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है कि अर्धचालक सामग्रियों में जटिल क्वांटम अवस्थाएँ कैसे उभर सकती हैं और नियंत्रित की जा सकती हैं।