Observation of stacked vortex structure with number controllable Majorana zero mode in BiTe/FeTe heterojunction
यह अध्ययन स्टोइकोमेट्रिक BiTe/FeTe हेटरोजंक्शनों की स्टैक्ड वोर्टेक्स संरचनाओं के भीतर मेजरना जीरो मोड्स (Majorana zero modes) के निर्माण और चुंबकीय-क्षेत्र-ट्यून करने योग्य नियंत्रण को प्रदर्शित करता है, जो दोष-सहिष्णु टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटेशन के लिए एक पैटर्न वाली सुपरकंडक्टिंग प्लेटफॉर्म स्थापित करता है।
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एक नए प्रकार के कंप्यूटर के निर्माण की खोज में, जो आज की मशीनों के लिए असंभव समस्याओं को हल कर सके, वैज्ञानिक एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के कण की तलाश कर रहे हैं। यह काल्पनिक कण, जिसे मेजरना ज़ीरो मोड (Majorana zero mode) के रूप में जाना जाता है, एक फॉल्ट-टोलरेंट क्वांटम कंप्यूटर के लिए एक निर्माण खंड (building block) की तरह कार्य करता है। साधारण बिट्स के विपरीत, जो शोर या गर्मी से आसानी से बिगड़ सकते हैं, ये कण टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित (topologically protected) होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनकी जानकारी स्वाभाविक रूप से त्रुटियों के प्रति सुरक्षित तरीके से संग्रहीत होती है। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने में रही है जो न केवल इन कणों को धारण करे, बल्कि शोधकर्ताओं को उन्हें अपनी इच्छानुसार बनाने और एक ही स्थान पर उनकी सटीक संख्या को नियंत्रित करने की अनुमति भी दे। इस नियंत्रण के बिना, इन कणों को गणना करने के लिए हिलाया या हेरफेर नहीं किया जा सकता, ठीक वैसे ही जैसे किसी के पास किताबों का पुस्तकालय हो लेकिन उन दरवाजों को खोलने या अलमारियों को व्यवस्थित करने का कोई तरीका न हो।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने एक नए प्रकार का सामग्री इंटरफेस (material interface) बनाया है जहाँ ये कण पाए जा सकते हैं और गिने जा सकते हैं। उन्होंने आयरन टेलुराइड (iron telluride) की एक परत और बिस्मथ टेलुराइड (bismuth telluride) की एक एकल, अत्यंत पतली शीट से मिलकर एक सूक्ष्म 'सैंडविच' तैयार किया। दोनों में से कोई भी सामग्री अपने आप में सुपरकंडक्टिंग (superconducting) नहीं है, लेकिन जब उन्हें एक साथ रखा जाता है, तो वे उस सीमा पर एक सुपरकंडक्टिंग अवस्था बनाते हैं जहाँ वे आपस में मिलते हैं। इस संरचना को परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा करके और एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, शोधकर्ताओं ने बिजली के छोटे भंवरों, जिन्हें वोर्टेक्स (vortices) कहा जाता है, के निर्माण को देखा। इन वोर्टेक्स के भीतर, उन्हें मायावी मेजरना ज़ीरो मोड्स के स्पष्ट प्रमाण मिले। यह खोज विशेष रूप से शक्तिशाली है क्योंकि शोधकर्ता चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति बदलकर या अध्ययन किए जा रहे पदार्थ के छोटे द्वीपों के आकार को बदलकर इन मोड्स की संख्या को नियंत्रित कर सकते थे।
शोधकर्ताओं ने एक अत्यधिक संवेदनशील सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया जो व्यक्तिगत परमाणुओं को देख सकता है, ताकि उनके नए पदार्थ की सतह का परीक्षण किया जा सके। उन्होंने पहले यह पुष्टि की कि दोनों परतें एक विशिष्ट, दोहराव वाले पैटर्न में एक साथ फिट होती हैं, जिससे एक बड़े पैमाने का ग्रिड बनता है जिसे मोइरे सुपरलैटिस (moiré superlattice) कहा जाता है। यह पैटर्न एक सूक्ष्म परिदृश्य की तरह कार्य करता है जो सतह पर सुपरकंडक्टिंग गुणों को नियंत्रित करता है। जब उन्होंने एक चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो स्पष्ट भंवर दिखाई दिए। स्पेक्ट्रोस्कोपी (spectroscopy) का उपयोग करते हुए—एक ऐसी तकनीक जो यह मापती है कि इलेक्ट्रॉन विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर कैसे व्यवहार करते हैं—उन्होंने खोजा कि इन वोर्टेक्स की एक जटिल, स्टैक्ड संरचना है। वोर्टेक्स का एक हिस्सा विशिष्ट रूप से बहने वाली धारा की तरह व्यवहार करता है जो कई सुपरकंडक्टर्स में पाई जाती है, जिसमें ऊर्जा स्तर निरंतर रूप से फैलते हैं। हालांकि, वोर्टेक्स का दूसरा, विशिष्ट हिस्सा, जो नीचे स्थित आयरन टेलुराइड परत से उत्पन्न होता है, बहुत अलग व्यवहार करता है।
इस निचली परत में, शोधकर्ताओं ने शून्य ऊर्जा पर विद्युत चालकता (electrical conductance) का एक तीक्ष्ण शिखर देखा, जो मेजरना ज़रो मोड का एक प्रमुख संकेत है। ऊपरी परत की फैलती हुई ऊर्जा के विपरीत, यह शून्य-ऊर्जा अवस्था पूरी तरह से एक ही स्थान पर टिकी हुई, स्थिर और अविभाजित रही। इस केंद्रीय शिखर के चारों ओर अन्य असतत (discrete) ऊर्जा स्तर थे जो एक सटीक, पूर्णांक-आधारित अनुक्रम का पालन करते थे, जिसने इस अवस्था की क्वांटम प्रकृति की पुष्टि की। टीम ने पाया कि ये मेजरना मोड प्रत्येक मापे गए वोर्टेक्स में दिखाई दिए। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने प्रदर्शित किया कि वे चुंबकीय क्षेत्र को समायोजित करके या विशिष्ट आकार के द्वीपों को विकसित करके, एक ही सुपरकंडक्टिंग द्वीप के भीतर एक, दो, या तीन मेजरना वोर्टेक्स को नियंत्रित कर सकते हैं। इस स्तर का नियंत्रण चुंबकीय क्षेत्र को समायोजित करके या विशिष्ट आकार के द्वीपों को विकसित करके प्राप्त किया जाता है, जिससे शोधकर्ता इन क्वांटम अवस्थाओं को सटीकता के साथ अलग और हेरफेर कर सकते हैं।
इस कार्य का महत्व इसकी शुद्धता और नियंत्रणीयता में निहित है। इन कणों को खोजने के पिछले प्रयास अक्सर रासायनिक खामियों या मिश्रित पदार्थों पर निर्भर थे, जिससे वास्तविक सिग्नल को बैकग्राउंड शोर से अलग करना कठिन था। दो अच्छी तरह से परिभाषित क्रिस्टल के बीच एक स्टोइकोमेट्रिक (stoichiometric), या रासायनिक रूप से पूर्ण इंटरफेस का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक स्वच्छ वातावरण बनाया जहाँ मेजरना मोड्स को बिना किसी अस्पष्टता के देखा जा सके। उन्होंने इस संभावना को भी खारिज कर दिया कि ऊपरी परत अकेले इस प्रभाव के लिए जिम्मेदार थी, यह दिखाते हुए कि आयरन टेलुराइड परत की अनूठी इलेक्ट्रॉनिक संरचना, जो बिस्मथ टेलुराइड की उपस्थिति से संशोधित हुई थी, टोपोलॉजिकल सुरक्षा का स्रोत थी। यह सेटअप एक विश्वसनीय मंच प्रदान करता है जहाँ वैज्ञानिक अब यह अध्ययन कर सकते हैं कि ये कण एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, जो अंततः उन्हें क्वांटम लॉजिक संचालन करने के लिए एक साथ जोड़ने (braiding) की दिशा में एक आवश्यक कदम है।
इन इंटरफेस को इंजीनियर करने की क्षमता टोपोलॉजिकल क्वांटम पदार्थ के मौलिक भौतिकी की खोज के लिए एक नया मार्ग खोलती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सुपरकंडक्टिंग गुण सख्ती से उन्हीं क्षेत्रों में सीमित हैं जहाँ दोनों सामग्रियां ओवरलैप होती हैं, जिसका अर्थ है कि वोर्टेक्स और उनसे जुड़े मेजरना मोड स्वाभाविक रूप से इन छोटे द्वीपों के भीतर अलग-थलग रहते हैं। यह घेराबंदी कणों को भटकने से रोकती है और विशिष्ट विन्यास (configurations), जैसे कि जोड़े या छोटे समूह, बनाने की अनुमति देती है, जो यह परीक्षण करने के लिए आवश्यक हैं कि इन कणों का उपयोग सूचना को संग्रहीत करने और संसाधित करने के लिए कैसे किया जा सकता है। हालांकि एक कार्यशील क्वांटम कंप्यूटर का मार्ग अभी लंबा है, यह कार्य मेजरना मोड्स को उत्पन्न करने के लिए एक स्पष्ट, नियंत्रणीय और पुनरुत्पादक विधि प्रदान करता है जो संभवतः इस तरह की मशीन को सक्षम बना सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि विभिन्न सामग्रियों के बीच के इंटरफेस को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, वैज्ञानिक एक स्थिर वातावरण बना सकते हैं जहाँ क्वांटम यांत्रिकी के विलक्षण नियमों का व्यावहारिक गणना के लिए उपयोग किया जा सके।
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