Nonlocal Josephson coupling and current redistribution in a large-area graphene multiterminal Josephson junction
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक बड़े क्षेत्र वाला ग्राफीन मल्टीटर्मिनल जोसेफसन जंक्शन, नॉनलोकल जोसेफसन कपलिंग और नॉनलोकल नॉर्मल-स्टेट कंडक्टेंस के बीच परस्पर क्रिया से उत्पन्न होने वाला एक स्पष्ट नकारात्मक विभेदक अनुदैर्ध्य प्रतिरोध (नेगेटिव डिफरेंशियल लॉन्जिट्यूडिनल रेजिस्टेंस) प्रदर्शित करता है, जो हाइब्रिड सुपरकंडक्टर-सेमीकंडक्टर प्रणालियों के लक्षण वर्णन करने और मेनी-बॉडी ग्राउंड स्टेट्स की खोज करने के लिए एक नया मंच प्रदान करता है।
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बिजली की दुनिया में, सामग्रियों को आमतौर पर दो समूहों में बांटा जाता है: चालक (conductors), जो इलेक्ट्रॉनों को एक चौड़े पाइप से पानी की तरह स्वतंत्र रूप से बहने देते हैं, और कुचालक (insulators), जो इस प्रवाह को पूरी तरह से रोक देते हैं। इन दोनों चरम सीमाओं के बीच एक विशेष अवस्था llamada है 'सुपरकंडक्टिविटी' (superconductivity), जहाँ कुछ सामग्रियाँ बिजली को बिना किसी प्रतिरोध के बहने देती हैं। जब दो अतिचालकों (superconductors) को एक पतली बाधा द्वारा अलग किया जाता है, तो वे एक क्वांटम प्रभाव के माध्यम से एक-दूसरे से संवाद कर सकते हैं, जिससे एक करंट बिना किसी बैटरी के दबाव के अंतराल (gap) के पार बह सकता है। यह जोसेफसन प्रभाव (Josephson effect) है, एक ऐसी घटना जो संवेदनशील सेंसर और सबसे उन्नत क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए एक आधारशिला बन गई है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने केवल दो सुपरकंडक्टिंग लीड्स वाले सरल सेटअप का उपयोग करके इन कनेक्शनों का अध्ययन किया है। हालाँकि, अधिक लीड्स जोड़कर और जटिल नेटवर्क बनाकर, शोधकर्ताओं ने व्यवहार के एक बिल्कुल नए परिदृश्य की भविष्यवाणी की है जहाँ करंट को उन तरीकों से नियंत्रित और आकार दिया जा सकता है जो साधारण दो-तार वाले कनेक्शन नहीं कर सकते। चुनौती एक ऐसा उपकरण बनाने की थी जो इन जटिल अंतःक्रियाओं को स्पष्ट रूप से देख सके, बिना इसके कि संकेत पारंपरिक माइक्रोचिप्स के छोटे, भीड़भाड़ वाले स्थानों में खो जाएं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ऐसा उपकरण बनाया है, एक बड़े पैमाने का नेटवर्क तैयार किया है जो यह प्रकट करता है कि इसके माध्यम से बिजली कैसे चलती है, इसमें एक आश्चर्यजनक और उपयोगी व्यवहार दिखाई देता है। उन्होंने एक "जोसेफसन हॉल बार" (Josephson Hall bar) बनाया, जो कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत जिसे ग्राफीन (graphene) कहा जाता है, से बना एक उपकरण है, जिसे सुरक्षात्मक परतों के बीच रखा गया है और छह अलग-अलग धातु के लीड्स से जोड़ा गया है। पिछले प्रयोगों के विपरीत जो सूक्ष्म थे, यह उपकरण इतना बड़ा है कि इसे एक मानक सूक्ष्मदर्शी (microscope) से देखा जा सकता है, जो कई माइक्रोमीटर तक फैला हुआ है। शोधकर्ताओं ने उपकरण के माध्यम से एक विद्युत धारा भेजी और देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने प्रवाह बढ़ाया, वोल्टेज कैसे बदला। उन्होंने पाया कि जब करंट एक विशिष्ट बिंदु पर पहुँचा, तो करंट बढ़ने के साथ ही उपकरण के बीच के हिस्से में वोल्टेज अचानक गिर गया। यह प्रति-सहज व्यवहार (counterintuitive behavior), जहाँ अधिक जोर लगाने से प्रतिरोध कम हो जाता है, 'नेगेटिव डिफरेंशियल रेजिस्टेंस' (negative differential resistance) कहलाता है। यह एक ऐसी घटना है जिसके लिए आमतौर पर जटिल सर्किट की आवश्यकता होती है, फिर भी यह यहाँ ग्राफीन शीट के बड़े, खुले स्थान में सुपरकंडक्टिंग करंट के परस्पर क्रिया करने के तरीके से स्वाभाविक रूप से उभरी।
इस खोज की कुंजी उपकरण का आकार और इस तरह से यात्रा करने वाले सुपरकंडक्टिंग करंट का अनूठा तरीका है। छोटे, पारंपरिक उपकरणों में, सुपरकरंट केवल पड़ोसियों के बीच बहता है, जैसे लोग एक छोटी लाइन में संदेश पास करते हैं। इस बड़े ग्राफीन बार में, सुपरकरंट दूर स्थित टर्मिनलों के बीच एक समन्वित तरीके से यात्रा कर सकता है जो एक-दूसरे के ठीक बगल में नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जैसे-जैसे करंट बढ़ा, नेटवर्क के विभिन्न हिस्से एक-एक करके सुपरकंडक्टिंग अवस्था से सामान्य, प्रतिरोधी (resistive) अवस्था में बदल गए। बदलने वाला पहला हिस्सा बार के बीच का कनेक्शन था। एक बार जब यह मध्य भाग बदल गया, तो करंट को एक नया रास्ता खोजने के लिए मजबूर होना पड़ा। क्योंकि उपकरण इतना बड़ा है, करंट खुद को उन अन्य मार्गों के माध्यम से पुनर्वितरित (redistribute) कर सका जो अभी भी सुपरकंडक्टिंग थे। इस पुनर्वितरण के कारण बीच में मापा गया वोल्टेज गिर गया, जिससे नेगेटिव रेजिस्टेंस का प्रभाव पैदा हुआ। टीम ने इस बात की पुष्टि करने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल बनाया जिसमें लंबे समय तक चलने वाले सुपरकंडक्टिंग कनेक्शनों और सामान्य विद्युत पथों दोनों को शामिल किया गया था, जिसने प्रयोग में देखे गए अजीब वोल्टेज ड्रॉप को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह नेटवर्क का एक मौलिक गुण है न कि केवल उनके विशिष्ट सेटअप का कोई संयोग, शोधकर्ताओं ने विभिन्न स्थितियों के तहत उपकरण का परीक्षण किया। उन्होंने ग्राफीन में इलेक्ट्रॉनों की संख्या बदली, तापमान में भिन्नता की, और यहाँ तक कि विभिन्न सामग्रियों और परतों की मोटाई का उपयोग करके उपकरण के कई अलग-अलग संस्करण बनाए। हर मामले में, नेगेटिव रेजिस्टेंस प्रभाव दिखाई दिया, जो दर्शाता है कि यह इस प्रकार के बड़े पैमाने के नेटवर्क की एक मजबूत विशेषता है। उन्होंने अन्य संभावनाओं को भी खारिज कर दिया, जैसे कि प्रभाव गर्मी के कारण था या उपकरण एक साधारण, एकल जंक्शन की तरह कार्य कर रहा था। एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, उन्होंने देखा कि सुपरकरंट्स कई अलग-अलग पथों से बह रहे थे जिनमें अलग-अलग आकार थे, जिसने आगे यह साबित किया कि उपकरण एक जटिल, परस्पर जुड़े वेब की तरह काम कर रहा था, न कि एक साधारण तार की तरह। चुंबकीय क्षेत्र के पैटर्न ने दिखाया कि कुछ करंट पास के संपर्कों (contacts) के बीच बह रहे थे, जबकि अन्य पूरे उपकरण में लंबे, लूप वाले रास्ते ले रहे थे, एक ऐसा व्यवहार जो छोटे, अधिक सीमित ढांचे में असंभव होगा।
यह कार्य जटिल क्वांटम नेटवर्क में बिजली कैसे व्यवहार करती है, इसे समझने के लिए एक नया द्वार खोलता है। एक बड़े, बहु-टर्मिनल डिवाइस में केवल करंट बदलकर नेगेटिव रेजिस्टेंस प्रभाव उत्पन्न करने की क्षमता, नए तरीके सुझाती है जिससे कई अलग-अलग घटकों की आवश्यकता के बिना इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाए जा सकते हैं जो संकेतों को प्रवर्धित (amplify) कर सकते हैं या आवृत्तियों (frequencies) को मिला सकते हैं। इसके सर्किट संबंधी उपयोग के अलावा, उपकरण का बड़ा आकार उन अन्य विलक्षण अवस्थाओं (exotic states of matter) के अध्ययन के लिए एक अनूठा मंच प्रदान करता है जो ग्राफीन में मौजूद हो सकती हैं। चूंकि उपकरण काफी बड़ा है, वैज्ञानिक संपर्कों के हस्तक्षेप के बिना, सामग्री के बीच में गेट और सेंसर रख सकते हैं, ताकि इलेक्ट्रॉनों के बल्क गुणों का अध्ययन किया जा सके। यह "जोसेफसन हॉल बार" एक बहुमुखी मंच प्रदान करता है जहाँ सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनों के सामूहिक नृत्य को देखा और नियंत्रित किया जा सकता है, जो पहले की तुलना में क्वांटम दुनिया का अधिक स्पष्ट दृश्य प्रस्तुत करता है।
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