Gate-tunable large second-order and third-order nonlinear Hall effect in topological insulator BiSbTeSe2

इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, किसी पदार्थ के माध्यम से बिजली कैसे चलती है, यह अक्सर समरूपता (symmetry) के सख्त नियमों द्वारा नियंत्रित होती है। कल्पना कीजिए कि एक ऐसा रास्ता जहाँ यातायात केवल एक ही दिशा में चल सकता है जब तक कि एक विशिष्ट अवरोध को हटाया न जाए; यह क्लासिक हॉल प्रभाव (Hall effect) जैसे कुछ विद्युत प्रभावों के समान है, जिन्हें एक चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है ताकि प्राकृतिक संतुलन को तोड़कर इलेक्ट्रॉनों को तिरछा धकेला जा सके। हालाँकि, भौतिकविदों ने ऐसे अधिक सूक्ष्म प्रभावों के एक परिवार की खोज की है जिन्हें चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता नहीं होती है। इन्हें 'नॉनलीनियर हॉल प्रभाव' (nonlinear Hall effects) कहा जाता है। इसमें एक साधारण, सीधी रेखा वाले संबंध के बजाय—जो एक तार के माध्यम से बहने वाली धारा और उसके द्वारा उत्पन्न वोल्टेज के बीच होता है—यह प्रभाव अधिक जटिल तरीके से बदलता है जब करंट को अधिक जोर से धकेला जाता है या इसे दोलन (oscillate) कराया जाता है। ऐसा तब होता है जब सामग्री स्वयं एक विशिष्ट प्रकार की दर्पण समरूपता (mirror symmetry) की कमी रखती है, जिससे इलेक्ट्रॉन इस तरह से बिखरे (scatter) होते हैं कि बिना चुंबकों के भी एक तिरछा वोल्टेज उत्पन्न होता है। एक सरल विद्युत संकेत के माध्यम से इन प्रभावों को नियंत्रित करने की क्षमता, भारी-भरकम चुंबकों के बजाय, तेज़, अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने के लिए बहुत बड़ी संभावना रखती है जो सूचनाओं को नए तरीकों से संसाधित कर सकें।

नानजिंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री, जिसे 'टोपोलॉजिकल इंसुलेटर' (topological insulator) कहा जाता है, में इन प्रभावों को बहुत अधिक मजबूत और नियंत्रित करने में आसान बनाने का तरीका खोज लिया है। यह सामग्री, जिसे BiSbTe2 कहा जाता है, विशेष है क्योंकि इसका आंतरिक भाग एक इंसुलेटर की तरह कार्य करता है, जो बिजली को रोकता है, जबकि इसकी सतह एक अत्यधिक कुशल चालक (conductor) के रूप में कार्य करती है। टीम ने इस सामग्री के पतले फ्लेक्स (flakes) का उपयोग करके सूक्ष्म उपकरण बनाए, जिन्हें अन्य परतों के बीच सैंडविच करके एक 'डुअल-गेट सिस्टम' बनाया गया। इस सेटअप ने उन्हें एक सटीक ट्यूनर की तरह काम करने की अनुमति दी, जिससे वे क्रिस्टल के बाकी हिस्से को बाधित किए बिना सतह पर इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को समायोजित करने के लिए दो अलग-अलग विद्युत गेटों का उपयोग कर सके। इन उपकरणों के माध्यम से एक प्रत्यावर्ती धारा (alternating current) भेजने और परिणामी वोल्टेज को मापने से, उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार के नॉनलीनियर हॉल प्रभाव देखे: एक सेकंड-ऑर्डर रिस्पॉन्स और एक थर्ड-ऑर्डर रिस्पॉन्स। ये शब्द इनपुट करंट के साथ वोल्टेज सिग्नल के संबंध को दर्शाते हैं; सेकंड-ऑर्डर सिग्नल इनपुट की दोगुनी आवृत्ति (frequency) पर दिखाई देता है, जबकि थर्ड-ऑर्डर तीन गुनी आवृत्ति पर दिखाई देता है।

यह खोज विशेष रूप से इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि शोधकर्ताओं ने जिस स्तर का नियंत्रण प्राप्त किया है वह उल्लेखनीय है। उन्होंने पाया कि अपने गेट्स पर वोल्टेज को समायोजित करके, वे इन सिग्नलों की शक्ति को चालू या बंद कर सकते हैं, या यहाँ तक कि उनकी दिशा भी बदल सकते हैं। नियंत्रण का यह स्तर एक बड़ी प्रगति है, क्योंकि इसी तरह की सामग्रियों में इन प्रभावों को देखने के पिछले प्रयास अक्सर नियंत्रण में कठिन रहे थे। टीम ने इन सिग्नलों की दक्षता को मापा और पाया कि सेकंड-ऑर्डर प्रभाव असाधारण रूप से मजबूत था, जो अन्य टोपोलॉजिकल इंसुलेटर प्रणालियों में देखी गई मात्रा से कहीं अधिक था। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह है कि यह मजबूत सिग्नल कमरे के तापमान (room temperature) पर भी स्थिर रहा, एक ऐसी स्थिति जहाँ कई नाजुक क्वांटम प्रभाव आमतौर पर गायब हो जाते हैं। थर्ड-ऑर्डर प्रभाव भी अन्य सामग्रियों में रिपोर्ट किए गए सर्वश्रेष्ठ परिणामों के समान मजबूती के साथ देखा गया, जो एक मजबूत तीन-आयामी (3D) टोपोलॉजिकल इंसुलेटर में ऐसे सिग्नल का पता लगाने का पहला मामला है।

इन सिग्नलों के क्या कारण थे, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने विश्लेषण किया कि सामग्री की विद्युत चालकता (electrical conductivity) को बदलने पर वोल्टेज कैसे बदलता है। इस विश्लेषण ने सुझाव दिया कि सेकंड-ऑर्डर प्रभाव दो तंत्रों के संयोजन से उत्पन्न होता है: एक जहाँ इलेक्ट्रॉन एक विशिष्ट तरीके से अशुद्धियों (impurities) द्वारा विक्षेपित होते हैं, और दूसरा इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड के आकार से संबंधित एक अंतर्निहित गुण। वहीं, थर्ड-ऑर्डर प्रभाव इलेक्ट्रॉन तरंगों के एक अलग अंतर्निहित गुण और अशुद्धि विक्षेपण के एक उच्च-क्रम संस्करण से उत्पन्न होता है। टीम ने कई वैकल्पिक स्पष्टीकरणों, जैसे हीटिंग प्रभाव या साधारण विद्युत त्रुटियों को भी खारिज कर दिया, जिससे यह पुष्टि हुई कि सिग्नल वास्तविक क्वांटम घटनाएँ हैं जो सामग्री की अनूठी सतही अवस्थाओं (surface states) से उत्पन्न होती हैं।

तापमान बदलने के साथ इन सिग्नलों का व्यवहार दिलचस्प तरीकों से बदला। जबकि सेकंड-ऑर्डर सिग्नल 300 केल्विन तक बना रहा, थर्ड-ऑर्डर सिग्नल तापमान बढ़ने के साथ फीका पड़ता गया और अपने समकक्ष की तुलना में कम तापमान पर ही लुप्त हो गया। यह अंतर बताता है कि थर्ड-ऑर्डर प्रभाव सतह के इलेक्ट्रॉनों के प्रभुत्व के प्रति अधिक संवेदनशील है, जो गर्मी के कारण सामग्री के 'बल्क' (bulk) द्वारा अधिक स्वतंत्र रूप से बिजली संचालित होने पर कम प्रभावशाली हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने डिवाइस को घुमाकर सिग्नलों की दिशा का भी परीक्षण किया और पाया कि थर्ड-ऑर्डर रिस्पॉन्स एक विशिष्ट दो-चरणीय (two-fold) पैटर्न का पालन करता है, जो इस प्रकार के प्रभाव के लिए सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप है, हालांकि समरूपता टूटने (symmetry breaking) का सटीक सूक्ष्म कारण अभी भी एक खुला प्रश्न बना हुआ है।

ये निष्कर्ष भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए एक मजबूत मंच स्थापित करते हैं। कमरे के तापमान पर एक ऐसी सामग्री में मजबूत, ट्यूनेबल नॉनलीनियर सिग्नल उत्पन्न करने की क्षमता, जिसे आसानी से हेरफेर किया जा सकता है, व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक स्पष्ट मार्ग सुझाती है। इन उपकरणों का उपयोग उच्च-आवृत्ति वाले रेक्टिफायर (rectifiers) बनाने के लिए किया जा सकता है, जो प्रत्यावर्ती धारा (AC) को दिष्ट धारा (DC) में परिवर्तित करते हैं, या फ्रीक्वेंसी मल्टीप्लायर (frequency multipliers) के रूप में किया जा सकता है जो नए सिग्नल फ्रीक्वेंसी उत्पन्न करते हैं। यह सिद्ध करके कि इन प्रभावों को एक स्थिर, कमरे के तापमान के वातावरण में इंजीनियर और नियंत्रित किया जा सकता है, यह कार्य बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता के काम करने वाले अगली पीढ़ी के नॉनलीनियर इलेक्ट्रॉनिक लॉजिक डिवाइसों के द्वार खोलता है।