Transport kinetics in excitonic Mott insulator
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक उच्च-गतिशीलता वाले MoSe/WSe हेटरोस्ट्रक्चर में अप्रत्यक्ष एक्सिटोन (indirect excitons) कुशल परिवहन से मॉट इंसुलेटर (Mott insulator) अवस्था में एक विशिष्ट संक्रमण प्रदर्शित करते हैं, जो एक्सिटोन क्लाउड के एक अद्वितीय गैर-एकदिष्ट विस्तार और उसके पश्चात संकुचन द्वारा अभिलक्षित है जिसे सिमुलेशन द्वारा सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया गया है।
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क्वांटम दुनिया में, कण हमेशा अकेले यात्री की तरह व्यवहार नहीं करते; कभी-कभी, वे एक एकल, समन्वित भीड़ के रूप में चलते हैं। जब बोसॉन नामक कुछ कणों को अत्यंत कम तापमान तक ठंडा किया जाता है और एक दोहराव वाले पैटर्न में सीमित किया जाता है, तो वे एक ऐसी अवस्था में प्रवेश कर सकते हैं जहाँ वे बिना किसी प्रतिरोध के बहते हैं, जिसे सुपरफ्लुइडिटी (superfluidity) नामक घटना कहा जाता है। हालाँकि, यदि इन कणों का घनत्व बहुत अधिक हो जाता है, तो वे अचानक पूरी तरह से रुक सकते हैं, और खुद को एक स्थान पर लॉक करके 'मॉट इंसुलेटर' (Mott insulator) बना सकते हैं। बिना घर्षण वाले प्रवाह से एक कठोर ठहराव तक का यह संक्रमण भौतिकी की एक मौलिक भविष्यवाणी है, लेकिन इसे देखने के लिए एक ऐसे सिस्टम की आवश्यकता होती है जो इतना शुद्ध हो कि कण सामग्री में मौजूद यादृच्छिक बाधाओं या अशुद्धियों के कारण न रुकें, बल्कि केवल एक-दूसरे के साथ अपनी अंतःक्रियाओं के कारण रुकें। दशकों से, वैज्ञानिक इस विशिष्ट स्विच को होते हुए देखने के लिए एक पर्याप्त स्वच्छ मंच की तलाश कर रहे थे, ताकि कणों के प्राकृतिक लॉक होने को एक अस्त-व्यस्त वातावरण के कारण होने वाले आकस्मिक जाम से अलग पहचाना जा सके।
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के शोधकर्ताओं ने अब दो परमाणु-पतली परतों के एक अनूठे सैंडविच का उपयोग करके इस संक्रमण को क्रिया में कैद कर लिया है। उन्होंने एक एकल परत मोलिब्डेनम डाइसेलेनाइड (molybdenum diselenide) को एक एकल परत टंगस्टन डाइसेलेनाइड (tungsten diselenide) के ऊपर रखकर एक उपकरण बनाया। जब प्रकाश इस संरचना से टकराता है, तो यह अप्रत्यक्ष एक्सिटोन (indirect excitons) नामक विशेष कण बनाता है। ये एक इलेक्ट्रॉन और दूसरे में एक होल (एक गायब इलेक्ट्रॉन) से बनी जोड़ियाँ हैं, जो विद्युत आकर्षण द्वारा जुड़ी हुई हैं लेकिन परतों के बीच के अंतराल द्वारा अलग हैं। यह अलगाव उन्हें एक लंबा जीवन देता है, जिससे वे गायब होने से पहले दूर तक यात्रा करने और एक शांत अवस्था में बसने में सक्षम होते हैं। क्योंकि परमाणु परतें एक-दूसरे के सापेक्ष थोड़ी मुड़ी हुई (twisted) हैं, वे ऊर्जा के टीलों और घाटियों के एक दोहराव वाले, हनीकॉम्ब जैसे परिदृश्य का निर्माण करती हैं, जिसे मोइरे पोटेंशियल (moiré potential) कहा जाता है। यह परिदृश्य सूक्ष्म ट्रैप्स का एक ग्रिड है जहाँ एक्सिटोन बैठ सकते हैं।
टीम ने इस बात पर ध्यान केंद्रित किया कि जब उन्होंने कणों की संख्या बढ़ाई, तो ये एक्सिटोन इस ग्रिड के माध्यम से कैसे चलते हैं। कम घनत्व पर, एक्सिटोन स्वतंत्र रूप से चलते थे, उस बिंदु से फैलते थे जहाँ लेजर टकराता था। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने घनत्व को एक विशिष्ट बिंदु तक बढ़ाया जहाँ ग्रिड लगभग आधा भरा हुआ था, कण असाधारण गति और दक्षता के साथ चले, जो एक सुपरफ्लिड स्टेट (superfluid state) के अनुरूप व्यवहार है। इस शासन (regime) में, कणों ने ऐसा प्रतीत हुआ जैसे वे परिदृश्य के ऊपर से बिना अटके फिसल रहे हों, जो यह सिद्ध करता था कि सामग्री इतनी स्वच्छ थी कि सामूहिक क्वांटम अवस्थाएँ बन सकें। यह उच्च-गति वाली गति महत्वपूर्ण थी क्योंकि इसने इस संभावना को खारिज कर दिया कि कण सामग्री में मौजूद यादृच्छिक दोषों के कारण धीमे हो रहे थे।
हालाँकि, कहानी नाटकीय रूप से बदल गई जब शोधकर्ताओं ने घनत्व को और अधिक बढ़ाकर, ग्रिड को इस तरह भर दिया कि लगभग हर ट्रैप में एक कण मौजूद था। इस बिंदु पर, सुचारू, तेज़ प्रवाह अचानक ढह गया। फैलने के बजाय, कणों का बादल केंद्र की ओर वापस सिकुड़ने लगा। शोधकर्ताओं ने देखा कि कणों द्वारा तय की गई दूरी पहले बढ़ती है, लेकिन फिर उलट जाती है, और जैसे ही घनत्व उस बिंदु तक पहुँचता है जहाँ ग्रिड पूरी तरह से भर जाता है, यह संकुचित होने लगता है। यह संकुचन 'मॉट इंसुलेटर' अवस्था के लिए निर्णायक प्रमाण (smoking gun) था। इसने दिखाया कि कण इतने भीड़भाड़ वाले हो गए थे कि वे एक ट्रैप से दूसरे में कूदने में असमर्थ थे, प्रभावी रूप से अपने स्वयं के आपसी प्रतिकर्षण के कारण एक स्थान पर जम गए थे। यह सामग्री के गंदे होने का परिणाम नहीं था; प्रारंभिक तेज़ गति ने सिद्ध किया था कि सामग्री स्वच्छ थी, जिसका अर्थ था कि यह ठहराव कणों का एक जानबूझकर लिया गया, सामूहिक निर्णय था।
इस सिकुड़ते हुए बादल के साथ-साथ, कणों के घनत्व में ठीक उसी केंद्र में एक स्पष्ट शिखर (peak) दिखाई दिया जहाँ लेजर टकरा रहा था। पहले के, तेज़ चलने वाले चरणों में, कण केंद्र से धीरे-धीरे कम होते हुए सुचारू रूप से फैलते थे। लेकिन उच्च-घनत्व वाली अवस्था में, कण मूल स्थान पर जमा हो गए, जिससे उनके संख्या में एक तीव्र उछाल आया। यह संचय इसलिए हुआ क्योंकि ग्रिड भरने के बाद कण केंद्र से दूर नहीं जा सके। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर, जो ग्रिड के माध्यम से कणों की गति का मॉडल बनाते थे, इन अवलोकनों की पुष्टि की। इन सिमुलेशन ने, जो कणों की अंतःक्रिया के भौतिक नियमों पर आधारित थे न कि जटिल गणित पर, कणों के विस्तार और उसके बाद के संकुचन, साथ ही केंद्रीय शिखर को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया।
अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि यह नाजुक क्वांटम व्यवहार अत्यंत संवेदनशील है। जब तापमान को 10 केल्विन से ऊपर बढ़ाया गया, तो प्रभाव गायब हो गया, और कण एक धीमी, अधिक साधारण प्रसार गति में लौट आए। यह तापमान सीमा उन सैद्धांतिक अपेक्षाओं के अनुरूप है कि ऐसी क्वांटम अवस्थाएँ कब जीवित रह सकती हैं। एक्सिटोन को फैलते और फिर सिकुड़ते हुए देखकर, टीम ने सुपरफ्लिड से मोट इंसुलेटर में संक्रमण का प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान किया। उन्होंने प्रदर्शित किया कि एक पर्याप्त स्वच्छ सामग्री में, कणों को इसलिए नहीं रोका जा सकता क्योंकि वे किसी गंदगी में फंसे हैं, बल्कि इसलिए क्योंकि उन्होंने उपलब्ध प्रत्येक स्थान को भर दिया है और वे क्वांटम यांत्रिकी के नियमों द्वारा वहीं रहने के लिए मजबूर हैं। यह कार्य इस बात की एक स्पष्ट खिड़की खोलता है कि कैसे पदार्थ अपनी मौलिक प्रकृति को केवल अधिक भीड़भाड़ वाले होकर बदल सकता है, जिससे केवल अंतःक्रिया की शक्ति के माध्यम से एक बहते हुए तरल को एक कठोर ठोस में बदल दिया जाता है।
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