$d$-wave superconductivity in quintuple-layer bulk superconductor La$_6$Ni$_5$O$_{12}$

अतिचालकता (सुपरकंडक्टिविटी) पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है, एक ऐसी घटना जिसके लिए आमतौर पर परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) के करीब तापमान की आवश्यकता होती है। दशकों से, वैज्ञानिक 'क्यूप्रेट्स' (cuprates) नामक सामग्रियों के एक विशिष्ट परिवार से मंत्रमुग्ध रहे हैं, जो तांबे (कॉपर) और ऑक्सीजन से बने होते हैं, क्योंकि वे अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर अतिचालक हो सकते हैं। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने तांबे के बजाय निकल पर आधारित अतिचालकों के एक नए परिवार की खोज की है। ये निकल-आधारित सामग्रियां, जिन्हें 'रिड्यूस्ड रडलसन-पोपर निकलेट्स' (reduced Ruddlesden-Popper nickelates) के रूप में जाना जाता है, क्यूप्रेट्स के समान एक परतदार संरचना साझा करती हैं लेकिन इन विलक्षण सामग्रियों के काम करने के तरीके को समझने के लिए एक नया मंच प्रदान करती हैं। इस क्षेत्र में केंद्रीय रहस्य इलेक्ट्रॉनों की "पेयरिंग सिमेट्री" (जोड़ी बनाने की समरूपता) को निर्धारित करना है। एक अतिचालक में, इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से चलने के लिए जोड़े बनाते हैं; इस जोड़ी के तरंग फलन (वेव फंक्शन) का आकार—चाहे वह एक गोले जैसा हो, डंबल जैसा हो, या कुछ और—इस सामग्री के गुणों और भविष्य में इसके उपयोग को निर्धारित करता है। हालांकि इन निकलेट्स की पतली फिल्मों (thin films) ने आशाजनक संकेत दिखाए हैं, लेकिन वे बहुत पतली होने के कारण मानक उपकरणों के साथ अध्ययन करने में कठिन हैं। एक विशिष्ट पांच-परत वाले निकल यौगिक के 'बल्क' (bulk), या मोटे संस्करण की हालिया खोज ने एक नया द्वार खोल दिया है, जिससे वैज्ञानिकों को पारंपरिक अतिचालकों के समान सटीकता के साथ इन सामग्रियों के आंतरिक कामकाज की जांच करने की अनुमति मिली है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस नए पांच-परत वाले पदार्थ, जिसे La6Ni5O12 के रूप में जाना जाता है, की जांच करने के लिए उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया है। इस सामग्री के परमाणु संरचना के विस्तृत गणितीय मॉडल का निर्माण करके और सबसे स्थिर अवस्था खोजने के लिए लाखों गणनाएं चलाकर, उन्होंने पाया कि इस यौगिक में इलेक्ट्रॉन एक विशिष्ट पैटर्न में जुड़ते हैं जिसे 'डी-वेव' (d-wave) कहा जाता है। यह पैटर्न प्रसिद्ध तांबे पर आधारित अतिचालकों में पाए जाने वाले समान प्रकार के पेयरिंग का है, जो दोनों परिवारों के बीच एक गहरे संबंध का सुझाव देता है। शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से एक अन्य सामान्य संभावना, 'एक्सटेंडेड एस-वेव' (extended s-wave) अवस्था को खारिज कर दिया, यह पाते हुए कि यह इस प्रणाली में वास्तविक अतिचालकता होने के लिए बहुत कमजोर है। उनके सिमुलेशन संकेत देते हैं कि यह सामग्री एक "नोडल" (nodal) अतिचालक है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन जोड़ों की रक्षा करने वाला ऊर्जा अंतराल (energy gap) एकसमान नहीं है बल्कि इसमें विशिष्ट बिंदु हैं जहाँ यह शून्य तक गिर जाता है, जिससे कुछ निम्न-ऊर्जा उत्तेजनाओं (low-energy excitations) का अस्तित्व संभव हो पाता है।

अपने निष्कर्षों को वास्तविक दुनिया के प्रयोगों के लिए उपयोगी बनाने के लिए, टीम ने अपने सैद्धांतिक मॉडल को प्रयोगशाला में लिए जा सकने वाले मापों के अनुमानों में अनुवादित किया। उन्होंने गणना की कि क्या वैज्ञानिक 'डेंसिटी ऑफ स्टेट्स' (states of density) को मापेंगे, जो अनिवार्य रूप से यह गणना है कि विभिन्न ऊर्जाओं पर कितने इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तर उपलब्ध हैं। उनके परिणाम कम ऊर्जाओं पर एक विशिष्ट 'वी-आकार' (V-shaped) के डिप (गर्त) की भविष्यवाणी करते हैं, जो एक हस्ताक्षर है जो टनलिंग प्रयोगों में स्पष्ट रूप से दिखाई देगा। उन्होंने यह भी भविष्यवाणी की कि सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों और तापमान परिवर्तनों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देगी। विशेष रूप से, उन्होंने पाया कि 'सुपरफ्लुइड डेंसिटी' (superfluid density), जो यह मापती है कि कितने इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टिंग प्रवाह में भाग ले रहे हैं, परम शून्य से तापमान बढ़ने के साथ एक सीधी रेखा में घट जाएगी। इसके अलावा, उन्होंने भविष्यवाणी की कि 'न्यूक्लियर स्पिन-लैटिस रिलैक्सेशन रेट' (nuclear spin-lattice relaxation rate), जो यह मापता है कि परमाणु नाभिक कितनी तेज़ी से अपने चुंबकीय संरेखण को खो देते हैं, तापमान के वर्ग के समानुपाती एक विशिष्ट गणितीय वक्र का पालन करेगा। ये संयुक्त संकेत एक स्वच्छ 'नोडल' अतिचालक के सुसंगत फिंगरप्रिंट बनाते हैं, जो सिद्धांत को सत्यापित करने के लिए प्रयोगकर्ताओं को एक स्पष्ट चेकलिस्ट प्रदान करते हैं।

शोधकर्ताओं ने केवल इसी एक सामग्री पर नहीं रुक गए; उन्होंने यह देखने के लिए कि क्या यह 'डी-वेव' व्यवहार अद्वितीय या सामान्य है, निकलेट परिवार के अन्य सदस्यों पर भी वही विश्लेषणात्मक ढांचा लागू किया। जब उन्होंने सामग्री के 'इनफिनिट-लेयर' (infinite-layer) संस्करण को देखा, जिसमें एक एकल दोहराई जाने वाली परत होती है, तो उनके सिमुलेशन ने फिर से दृढ़ता से 'डी-वेव' पेयरिंग अवस्था की ओर संकेत किया। हालांकि, जब उन्होंने यौगिक के तीन-परत वाले संस्करण की जांच की, तो परिणाम अधिक संदिग्ध थे। तीन-परत वाली सामग्री एक अतिचालक होने और न होने के बीच की सीमा पर स्थित प्रतीत हुई, जो यह सुझाव देती है कि इसकी सुपरकंडक्टिंग गुण इसके संयोजन में छोटे बदलावों के प्रति बहुत संवेदनशील हो सकते हैं। यह तुलना इस बात पर प्रकाश डालती है कि हालांकि 'डी-वेव' जोड़े बनाने की प्रवृत्ति इस परिवार में एक सामान्य सूत्र प्रतीत होती है, लेकिन अतिचालकता की ताकत पर परतों की संख्या और चार्ज वाहकों (charge carriers) की सांद्रता का बहुत प्रभाव पड़ता है।

इस कार्य का महत्व इस तथ्य में निहित है कि पांच-परत वाली सामग्री एक 'बल्क क्रिस्टल' है, जिसका अर्थ है कि यह न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस और पेनिट्रेशन डेप्थ जैसे शक्तिशाली उपकरणों के अध्ययन के लिए पर्याप्त मोटी है, जो पतली फिल्मों पर किए जाने वाले पिछले शोध के लिए असंभव थे। इन बल्क प्रयोगों में क्या देखना चाहिए, इसके लिए एक मजबूत सैद्धांतिक भविष्यवाणी प्रदान करके, यह अध्ययन इस सामग्री को निकलेट अतिचालकों में 'पेयरिंग सिमेट्री' के प्रश्न को सुलझाने के लिए एक महत्वपूर्ण मंच के रूप में स्थापित करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन नए निकल-आधारित अतिचालकों को नियंत्रित करने वाला भौतिक विज्ञान, पुराने तांबे-आधारित वाले के समान ही है, जो समान अंतर्निहित तंत्रों द्वारा संचालित है। यह अंतर्दृष्टि न केवल वर्तमान सामग्रियों की प्रकृति को स्पष्ट करने में मदद करती है, बल्कि इलेक्ट्रॉन गणनाओं को समायोजित करके संबंधित यौगिकों (जैसे कि तीन-परत वाला संस्करण) में अतिचालकता को संभावित रूप से बढ़ाने के तरीके को समझने के लिए एक रोडमैप भी प्रदान करती है।