Probing Quantum Anomalous Hall Transport Under Microwave Irradiation Using a Topological Circulator
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक क्वांटम अनोमलस हॉल टोपोलॉजिकल सर्कुलेटर, विशेष रूप से एक एक्सेप्शनल पॉइंट के पास गैर-हर्मिटीन मोड हाइब्रिडाइजेशन के माध्यम से, एज मैग्नेटोप्लास्मोन परिवहन में माइक्रोवेव-फोटॉन-प्रेरित विक्षोभों का उन्नत, आवृत्ति-चयनात्मक पता लगाने में सक्षम बनाता है।
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क्वांटम भौतिकी की शांत, अत्यंत ठंडी दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार इस बात के तरीके खोज रहे हैं कि बिजली और संकेतों के संचलन को कैसे नियंत्रित किया जाए। इस कार्य के लिए सबसे आशाजनक सामग्रियों में से एक 'क्वांटम अनोमलस हॉल इंसुलेटर' (quantum anomalous Hall insulator) है। एक ऐसे पदार्थ के ब्लॉक की कल्पना करें जो अपने केंद्र में एक पूर्ण विद्युत कुचालक (इंसुलेटर) के रूप में कार्य करता है, जो सभी करंट को रोकता है, लेकिन इसके बिल्कुल किनारे पर एक विशेष, एक-तरफा राजमार्ग चलता है। इस राजमार्ग पर, इलेक्ट्रॉन बिना अटके या पीछे मुड़े प्रवाहित हो सकते हैं, जिससे एक ऐसा करंट बनता है जो केवल एक ही दिशा में चलता है। यह व्यवहार केवल एक जिज्ञासा नहीं है; यह बिना किसी विशाल बाहरी चुंबक की आवश्यकता के संकेतों को निर्देशित करने वाले सूक्ष्म, कुशल उपकरण बनाने का आधार है। जब इन सामग्रियों पर माइक्रोवेव संकेत डाले जाते हैं, तो किनारे पर मौजूद इलेक्ट्रॉन केवल बहते ही नहीं हैं; वे लहरों के रूप में एक साथ लहराते हैं, ठीक वैसे ही जैसे नहर में पानी चलता है। इन लहरों को 'एज मैग्नेटोप्लास्मोन' (edge magnetoplasmons) कहा जाता है, जो सूचना ले जाते हैं और उन्नत संचार उपकरण बनाने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं। हालाँकि, इन नाजुक तरंगों के इन सूक्ष्म परिवर्तनों के प्रति प्रतिक्रिया करने के तरीके का पता लगाना कठिन है, क्योंकि ये संकेत अक्सर मानक उपकरणों के साथ स्पष्ट रूप से देखने के लिए बहुत धुंधले होते हैं।
लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी और यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया, लॉस एंजिल्स के शोधकर्ताओं ने इन लहरों को देखने और बाधित होने पर उनकी प्रतिक्रिया देखने का एक नया तरीका खोजा है। उन्होंने एक क्वांटम अनोमलस हॉल सामग्री का उपयोग करके एक उपकरण बनाया जिसे एक वृत्त के आकार में ढाला गया था, और इसे तीन पोर्ट्स से जोड़ा गया था जो संकेतों के प्रवेश और निकास बिंदुओं के रूप में कार्य करते हैं। डिवाइस के एक हिस्से में माइक्रोवेव ऊर्जा की एक स्थिर धारा भेजकर और साथ ही दूसरे हिस्से के माध्यम से एक कमजोर परीक्षण संकेत भेजकर, वे सटीक रूप से माप सके कि किनारे की तरंगों ने कैसी प्रतिक्रिया दी। टीम ने पाया कि इन तरंगों की प्रतिक्रिया माइक्रोवेव ऊर्जा की आवृत्ति (frequency) के प्रति अविश्वसनीय रूप से चयनात्मक है जिसका उपयोग उन्हें बाधित करने के लिए किया जाता है। जब उन्होंने 4 गीगाहर्ट्ज़ या 7 गीगाहर्ट्ज़ जैसे कुछ विशिष्ट आवृत्तियों का उपयोग किया, तो किनारे की तरंगें पूरी तरह से शांत रहीं, जिससे व्यवधान की शक्ति बढ़ने के बावजूद उनमें लगभग कोई परिवर्तन नहीं देखा गया। फिर भी, जब उन्होंने पास की अन्य आवृत्तियों का उपयोग किया, तो उन्हीं तरंगों ने तीव्र प्रतिक्रिया दी, जिससे उनका ट्रांसमिशन नाटकीय रूप रूप से बदल गया। इसका अर्थ यह है कि सामग्री केवल समान रूप से गर्म नहीं हो रही है या टूट नहीं रही है; बल्कि, यह माइक्रोवेव ऊर्जा के साथ एक अत्यधिक विशिष्ट और चयनात्मक तरीके से परस्पर क्रिया करती है जो पूरी तरह से संकेत के पिच (pitch) पर निर्भर करती है।
प्रयोग ने एक विशेष स्थिति भी प्रकट की जहाँ डिवाइस इन व्यवधानों के प्रति असाधारण रूप से संवेदनशील हो जाता है। शोधकर्ताओं ने सिस्टम को इस तरह से ट्यून किया कि किनारे की तरंगें और उनसे जुड़े विद्युत सर्किट एक बहुत ही विशिष्ट, असंतुलित तरीके से परस्पर क्रिया करें, जिससे एक ऐसा बिंदु बना जहाँ सिस्टम का व्यवहार तेजी से बदल जाता है। इस बिंदु के पास, डिवाइस ने माइक्रोवेव व्यवधानों के प्रति एक ऐसी प्रतिक्रिया दी जो अन्य आवृत्तियों की तुलना में लगभग दोगुनी मजबूत थी। यह सुझाव देता है कि इन उपकरणों को इस संवेदनशील सीमा के पास संचालित करने के लिए सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, वैज्ञानिक ऐसे उपकरण बना सकते हैं जो अपने वातावरण में सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने में कहीं अधिक बेहतर हों। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि ये टोपोलॉजिकल सामग्रियां सेंसिंग और मापने के लिए शक्तिशाली प्लेटफॉर्म के रूप में कार्य कर सकती हैं, जो क्वांटम पदार्थ की छिपी हुई गतिशीलता को जांचने का एक नया तरीका प्रदान करती हैं। निष्कर्ष इस बात की पुष्टि करते हैं कि इलेक्ट्रॉनों के एक-तरफा प्रवाह और माइक्रोवेव ऊर्जा के बीच की परस्पर क्रिया जटिल व्यवहार पैदा करती है जिसे भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों में संकेतों के अधिक सटीक नियंत्रण के लिए उपयोग किया जा सकता है।
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