Bulk superconductivity in quintuple-layer square-planar nickelate La6Ni5O12
यह शोध पत्र टोपोटैक्टिक रिडक्शन (topotactic reduction) के माध्यम से संश्लेषित पंचतलीय वर्गाकार-समतलीय निकलेट La6Ni5O12 में परिवेशी दबाव पर बल्क सुपरकंडक्टिविटी (bulk superconductivity) की खोज की सूचना देता है, जो लगभग 18 K का ऑनसेट ट्रांजिशन तापमान और ~25% का सुपरकंडक्टिंग वॉल्यूम फ्रैक्शन प्रदर्शित करता है, जिससे निकलेट्स में उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिविटी के तंत्र की जांच के लिए एक महत्वपूर्ण मंच स्थापित होता है।
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दशकों से, सामग्रियों का सबसे प्रसिद्ध परिवार जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करता है, वह तांबे पर आधारित सिरेमिक है, जिन्हें क्यूप्रेट्स (cuprates) के रूप में जाना जाता है। ये सामग्रियां परम शून्य से कहीं अधिक तापमान पर भी पूर्ण दक्षता के साथ करंट ले जा सकती हैं, एक ऐसा गुण जिसने 1980 के दशक से वैज्ञानिकों को मंत्रमुग्ध किया है। हालाँकि, वे वास्तव में कैसे काम करते हैं, इसे समझना कठिन रहा है क्योंकि इन सामग्रियों के सबसे उपयोगी संस्करण केवल पतली फिल्मों (thin films) के रूप में मौजूद होते हैं या उन्हें कार्य करने के लिए अत्यधिक दबाव की आवश्यकता होती है। इस सीमा ने शोधकर्ताओं को अप्रत्यक्ष तरीकों पर निर्भर रहने के लिए मजबूर किया है, ठीक वैसे ही जैसे केवल छत को देखकर किसी घर के आंतरिक भाग को समझने की कोशिश करना। इस पहेली को सुलझाने के लिए, वैज्ञानिक सामग्रियों के एक नए परिवार की तलाश कर रहे थे जो तांबे वाले पदार्थों की तरह व्यवहार करता हो लेकिन जिसका अध्ययन करना आसान हो। उन्होंने निकल-आधारित ऑक्साइडों (nickel-based oxides) की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया, जो तांबे की सामग्रियों के समान रासायनिक संरचना और इलेक्ट्रॉनिक वातावरण साझा करते हैं। हालांकि निकल-आधारित सुपरकंडक्टर्स की खोज हाल ही में हुई थी, वे भी उसी जाल में फंसे हुए थे: वे केवल पतली परतों में या अत्यधिक दबाव में काम करते थे, जिससे सामग्री का अधिकांश हिस्सा गैर-सुपरकंडक्टिंग अवस्था में रह जाता था।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा निकल-आधारित पदार्थ का टुकड़ा बनाकर इस बाधा को तोड़ दिया है जो सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करता है। वैज्ञानिकों ने एक विशिष्ट निकल यौगिक से शुरुआत की, जो एक पांच-परतीय क्रिस्टल संरचना है जो स्वाभाविक रूप से उच्च ताप और दबाव के तहत बनती है। यह प्रारंभिक सामग्री एक धात्विक चालक थी, लेकिन यह अभी तक सुपरकंडक्टर नहीं थी। इसे बदलने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सूक्ष्म रासायनिक सर्जरी की। उन्होंने क्रिस्टल को एक सीलबंद वातावरण में एक रासायनिक एजेंट के साथ रखा जो एक स्पंज की तरह कार्य करता है, जो क्रिस्टल की सतह और आंतरिक भाग से विशिष्ट ऑक्सीजन परमाणुओं को सोख लेता है। 'टोपोटैक्टिक रिएक्शन' (topotactic reaction) के रूप में ज्ञात इस प्रक्रिया ने केवल उतनी ही ऑक्सीजन हटाई जिससे क्रिस्टल को तोड़े बिना सामग्री के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था बदल गई। परिणाम स्वरूप एक नया संस्करण प्राप्त हुआ जहाँ निकल परमाणु चपटे, वर्गाकार-नुमा तलों में स्थित हैं, एक ऐसी संरचना जिसकी सैद्धांतिक मॉडलों ने लंबे समय से सुपरकConductivity के लिए आदर्श भविष्यवाणी की थी।
जब शोधकर्ताओं ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह लगभग 18 केल्विन के तापमान पर, जो सेल्सियस पैमाने पर शून्य से लगभग 255 डिग्री नीचे है, बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करने लगी। यह केवल एक सतही प्रभाव नहीं था; सामग्री अपने पूरे आयतन में एक वास्तविक सुपरकंडक्टर की तरह व्यवहार करती थी। इसकी पुष्टि करने के लिए, टीम ने मापा कि सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। उन्होंने देखा कि सामग्री सक्रिय रूप से चुंबकीय क्षेत्रों को खुद से दूर धकेलती है, जो सुपरकंडक्टिविटी की एक पहचान है, और यह चुंबकीय बल रेखाओं को अपनी संरचना के भीतर भी कैद कर सकती है, जो इस बात का संकेत है कि यह ऊर्जा खोए बिना विद्युत धाराएं प्रवाहित कर रही है। उन्होंने सामग्री की ऊष्मा क्षमता (heat capacity) को भी मापा, जिसने उसी तापमान पर एक स्पष्ट उछाल दिखाया जहाँ बिजली में प्रतिरोध समाप्त हो गया था। यह उछाल एक निश्चित ऊष्मप्रवैगिकी हस्ताक्षर (thermodynamic signature) है जो दर्शाता है कि सामग्री का एक बड़ा हिस्सा सुपरकंडक्टिंग अवस्था में प्रवेश कर गया था।
अध्ययन से पता चला कि इस परिवर्तन की सफलता पूरी तरह से सटीकता पर निर्भर थी। यदि रासायनिक उपचार बहुत कमजोर था, तो सामग्री एक सामान्य धातु बनी रही जिसमें कुछ असामान्य चुंबकीय गुण थे। यदि उपचार बहुत अधिक मजबूत था, तो सामग्री एक इंसुलेटर (कुचालक) बन गई जिसने बिजली को पूरी तरह से रोक दिया। केवल रासायनिक समायोजन की एक बहुत ही संकीर्ण सीमा के भीतर ही सुपरकंडक्टिंग अवस्था प्रकट हुई। शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि उनके नमूने में सामग्री का लगभग एक-चौथाई हिस्सा सुपरकंडक्टिंग था, बाकी हिस्सा सामान्य अवस्था में रहा, जो संभवतः सूक्ष्म दरारों या रासायनिक बनावट में मामूली भिन्नताओं के कारण था। इसके बावजूद, यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सामान्य दबाव पर काम करने वाले निकल-आधारित सुपरकंडक्टर का पहला बल्क सैंपल प्रदान करती है। यह वैज्ञानिकों के लिए न्यूट्रॉन स्कैटरिंग और उन्नत इमेजिंग जैसे शक्तिशाली उपकरणों का उपयोग करके सीधे सामग्री के भीतर देखने का मार्ग प्रशस्त करता है, जो संभावित रूप से उच्च-तापमान सुपरकंडक्टिविटी के उन रहस्यों को उजागर कर सकता है जो वर्षों से छिपे हुए हैं।
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