Enhanced Coulomb pseudopotentials in high-pressure hydrides from first principles

दशकों से, वैज्ञानिक एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री की तलाश कर रहे हैं: एक ऐसी सामग्री जो अंतरिक्ष की गहराइयों की अत्यधिक ठंड से कहीं अधिक गर्म तापमान पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन कर सके। यह घटना, जिसे अतिचालकता (सुपरकंडक्टिविटी) के रूप में जाना जाता है, बिजली ग्रिड से लेकर मेडिकल स्कैनर तक सब कुछ बदलने का वादा करती है, लेकिन इसके लिए आमतौर पर सामग्रियों को परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) के करीब ठंडा करने की आवश्यकता होती है। हाल के वर्षों में, हाइड्राइड्स नामक सामग्रियों का एक नया वर्ग उभरा है—जो हाइड्रोजन से भरपूर यौगिक हैं—और यह इस तापमान बाधा को तोड़ने के लिए एक प्रमुख दावेदार बनकर उभरा है। अत्यधिक दबाव के तहत, ये पदार्थ उन तापमानों पर अतिचालक बन सकते हैं जो बर्फ को पिघला देंगे, एक ऐसी खोज जिसने इस क्षेत्र को शुद्ध प्रयोग से कंप्यूटर-निर्देशित भविष्यवाणी की ओर स्थानांतरित कर दिया है। हालांकि, कंप्यूटर द्वारा की गई भविष्यवाणी और प्रयोगों द्वारा मापे गए परिणामों के बीच एक निरंतर अंतराल बना हुआ है। वह गायब कड़ी सामग्री के भीतर एक सूक्ष्म, अदृश्य बल थी: इलेक्ट्रॉनों के बीच का प्रतिकर्षण (रिपल्शन)। जबकि वह आकर्षण जो इलेक्ट्रॉनों को जोड़ा बनाने और बिना प्रतिरोध के बहने की अनुमति देता है, अच्छी तरह से समझा गया है, लेकिन वह बल जो उन्हें एक-दूसरे से दूर धकेलता है, उसे अक्सर गणनाओं में एक मोटा अनुमान माना जाता रहा है, जिससे ऐसी भविष्यवाणियां होती हैं जो कभी-कभी वास्तविकता से दोगुनी ऊंची होती हैं।

कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय और टोहोकू विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बल को एक मानक अनुमान के बजाय प्रथम सिद्धांतों (फर्स्ट प्रिंसिपल्स) से गणना करके इस अंतर को पाट दिया है। उन्होंने उच्च-दबाव वाले हाइड्राइड्स के एक समूह पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें उच्च-तापमान अतिचालकता के सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से कुछ शामिल हैं। एक विशेष कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करके, उन्होंने अत्यधिक दबाव में इन सामग्रियों के भीतर इलेक्ट्रॉन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, इसका मानचित्र तैयार किया। उनका कार्य प्रकट करता है कि प्रतिकर्षण बल वैसा निरंतर, सार्वभौमिक नंबर नहीं है जैसा कि पहले माना जाता था, बल्कि एक परिवर्तनशील है जो सामग्री की विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक संरचना के आधार पर नाटकीय रूप से बदलता है। कुछ मामलों में, यह बल इतना मजबूत होता है कि यह उस तापमान को काफी कम कर देता है जिस पर सामग्री अतिचालक बनती है, जिससे पिछले अति-अनुमानों में सुधार होता है और सैद्धांतिक भविष्यवाणियां प्रयोगात्मक डेटा के साथ संरेखित हो जाती हैं।

इन सामग्रियों की कहानी एक सुपरकंडक्टर के भीतर के नाजुक संतुलन से शुरू होती है। बिजली के बिना प्रतिरोध के बहने के लिए, इलेक्ट्रॉनों को एक-दूसरे को धकेलने की अपनी स्वाभाविक प्रवृत्ति पर विजय पाने और इसके बजाय जोड़े बनाने की आवश्यकता होती है। यह युग्मन (पेयरिंग) आमतौर पर क्रिस्टल लैटिस में कंपन द्वारा सुगम बनाया जाता है, जो एक गोंद की तरह कार्य करने वाली प्रक्रिया है। हालांकि, इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के विरुद्ध भी धक्का देते हैं, और यदि यह धक्का बहुत मजबूत है, तो यह जोड़ों को तोड़ देता है और अतिचालक अवस्था को नष्ट कर देता है। अतीत में, नई सामग्रियों के प्रदर्शन की भविष्यवाणी करने वाले वैज्ञानिकों को इस प्रतिकर्षण बल की ताकत का अनुमान लगाना पड़ता था। चूंकि इसकी सीधे गणना करना अविश्वसनीय रूप से कठिन है, इसलिए वे आमतौर पर एल्युमीनियम जैसे सरल धातुओं से प्राप्त एक निश्चित, औसत मान का उपयोग करते थे। यह पुराने सामग्रियों के लिए पर्याप्त रूप से काम करता था, लेकिन जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने उच्च दबाव में जटिल हाइड्रोजन-समृद्ध यौगिकों की खोज शुरू की, यह शॉर्टकट विफल होने लगा। मानक अनुमान ने ऐसी सुपरकंडक्टिंग तापमान की भविष्यवाणियां कीं जो अक्सर बहुत अधिक आशावादी थीं, जिससे सिद्धांत और प्रयोगशाला के बीच एक भ्रमित करने वाला अंतर पैदा हो गया।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी विधि का उपयोग किया जो प्रतिकर्षण को एक अनुमान के रूप में नहीं, बल्कि एक गणनीय भौतिक वास्तविकता के रूप में मानती है। उन्होंने हाइड्रोजन सल्फाइड, लैंथेनम डेकाहाइड्राइड और मैग्नीशियम इरिडियम हेक्साहाइड्राइड नामक एक नए अनुमानित यौगिक सहित कई हाइड्राइड प्रणालियों की जांच की। उन्होंने इन सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए एक नए सॉफ्टवेयर टूल का उपयोग किया, और सटीक रूप से गणना की कि अतिचालकता के स्तरों पर प्रतिकर्षण बल कैसे व्यवहार करता है। परिणाम चौंकाने वाले थे। उन्होंने पाया कि इनमें से कई हाइड्राइड्स के लिए, प्रतिकर्षण बल मानक अनुमान की तुलना में बहुत अधिक मजबूत है। मैग्नीशियम इरिडियम हेक्साहाइड्राइड के मामले में, गणना किया गया प्रतिकर्षण अधिकांश अध्ययनों में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक अनुमान से लगभग चार गुना अधिक मजबूत था। यह अंतर कोई मामूली विवरण नहीं है; यह अनुमानित सुपरकंडक्टिंग तापमान को 40 केल्विन तक बदल देता है, जो एक विशाल बदलाव है और यह समझाता है कि पिछले मॉडलों ने सामग्री की क्षमता का अत्यधिक आकलन क्यों किया था।

शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रतिकर्षण बल की ताकत फर्मी ऊर्जा (फर्मी एनर्जी) पर उपलब्ध इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं के घनत्व से मजबूती से जुड़ी हुई है, जो इलेक्ट्रॉनिक गतिविधि के लिए एक दहलीज के रूप में कार्य करने वाला एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर है। जिन सामग्रियों में यह घनत्व उच्च होता है, वहां इलेक्ट्रॉन इतने घने होते हैं कि उनका आपसी प्रतिकर्षण एक प्रमुख कारक बन जाता है। यह विरोधाभासी है क्योंकि उच्च 'स्टेट्स ऑफ डेन्सिटी' को आमतौर पर अतिचालकता के लिए एक अच्छी चीज के रूप में देखा जाता है, क्योंकि यह इलेक्ट्रॉन जोड़ों को बनाने में मदद करता है। हालांकि, अध्ययन दिखाता है कि इन उच्च-दबाव वाले हाइड्राइड्स में, वही उच्च घनत्व जो जोड़ों को बनाने में मदद करता है, उसी प्रतिकर्षण को भी बढ़ाता है जो उन्हें तोड़ने की कोशिश करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि मैग्नीशियम इरिडियम हेक्साहाइड्राइड जैसे सिस्टम में, यह प्रतिकर्षण इतना तीव्र है कि यह सुपरकंडक्टिंग तापमान को महत्वपूर्ण रूप से कम कर देता है, जिससे दो अलग-अलग सैद्धांतिक दृष्टिकोणों के बीच लंबे समय से चले आ रहे विवाद को सुलझाया जा सका, जो पहले एक कारक दो के अंतर से असहमत थे।

अध्ययन ने यह भी देखा कि विभिन्न दबाव स्तरों के तहत दबाए जाने पर ये बल कैसे बदलते हैं। उन्होंने पाया कि हालांकि दबाव बढ़ने के साथ प्रतिकर्षण बल बदलता है, लेकिन यह परिवर्तन मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं के बदलते घनत्व से प्रेरित है, न कि स्वयं बल की प्रकृति में किसी मौलिक परिवर्तन से। इसका मतलब है कि एक बार जब वैज्ञानिक किसी सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को एक दबाव पर समझ लेते हैं, तो वे केवल इलेक्ट्रॉन घनत्व में परिवर्तन को ट्रैक करके अन्य दबावों पर उसके व्यवहार का सटीक अनुमान लगा सकते हैं। यह अंतर्दृष्टि नए सुपरकंडक्टर्स की खोज को सरल बनाती है, यह सुझाव देती है कि सटीक भविष्यवाणी की कुंजी प्रतिकर्षण के बारे में जटिल, परिवर्तनशील अनुमानों में नहीं, बल्कि इलेक्ट्रॉन परिदृश्य की सटीक गणना में निहित है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक सामग्री तक सीमित नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि हाइड्राइड्स की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए, इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण का मानक, 'एक ही आकार सभी के लिए उपयुक्त' (वन-साइज़-फिट्स-ऑल) मान अपर्याप्त है। उच्च इलेक्ट्रॉन घनत्व वाली सामग्रियों में, पुराने मानक मान का उपयोग करने से सुपरकंडक्टिंग तापमान का अति-अनुमान लगाया जाता है, जिससे शोधकर्ता इस बारे में गलत दिशा में जा सकते हैं कि किन सामग्रियों पर ध्यान देना चाहिए। प्रतिकर्षण की सीधे गणना करके, टीम ने दिखाया कि कई प्रमुख उम्मीदवारों के लिए अनुमानित तापमान गिरकर प्रयोगशाला टिप्पणियों के बहुत करीब आ जाता है। उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन सल्फाइड में, नई गणनाओं ने अनुमानित तापमान को लगभग 40 डिग्री कम कर दिया, जिससे यह प्रयोगशाला में मापे गए स्तर के अनुरूप हो गया। यह सुझाव देता है कि नए सुपरकंडक्टर्स की खोज का मार्ग इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण की अधिक कठोर, सामग्री-विशिष्ट गणना की मांग करता है।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि उनके निष्कर्ष ज्ञात धातुओं और सामान्य सुपरकंडक्टर्स के विरुद्ध सत्यापित विस्तृत सिमुलेशन पर आधारित हैं, जो उन्हें अपने परिणामों में उच्च विश्वास देते हैं। वे उल्लेख करते हैं कि हालांकि उनकी विधि गणनात्मक रूप से गहन (कंप्यूटेशनल रूप से इंटेंसिव) है, फिर भी यह भविष्य में नई सामग्रियों की खोज के लिए एक मानक उपकरण के रूप में उपयोग करने के लिए पर्याप्त व्यवहार्य है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने अतिचालकता के रहस्य को पूरी तरह से सुलझा लिया है, लेकिन इसने उस बड़े त्रुटि स्रोत को हटा दिया है जिसने वर्षों से इस क्षेत्र को प्रभावित किया है। एक मोटे अनुमान को एक सटीक गणना से बदलकर, शोधकर्ताओं ने उच्च-दबाव वाले हाइड्राइड्स की जटिल दुनिया में नेविगेट करने के लिए एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान किया है। परिणाम इन सामग्रियों की क्षमता की एक अधिक ईमानदार तस्वीर पेश करता है, यह सुनिश्चित करता है कि कमरे के तापमान पर अतिचालकता की खोज आशावादी धारणाओं के बजाय सटीक भौतिकी द्वारा निर्देशित हो।