On the origin of nonreciprocal charge transport in topological insulator BiSbTeSe2

ठोस पदार्थों की दुनिया में, बिजली आमतौर पर एक अनुमानित निष्पक्षता के साथ व्यवहार करती है। यदि आप एक तार में एक दिशा में इलेक्ट्रॉनों की धारा प्रवाहित करते हैं, तो उसे मिलने वाला प्रतिरोध ठीक उतना ही होता है जितना कि यदि आप उसी धारा को विपरीत दिशा में प्रवाहित करते। यह समरूपता अधिकांश रोजमर्रा के चालकों के लिए एक मौलिक नियम है। हालाँकि, प्रकृति कभी-कभी इस नियम को तोड़ देती है। कुछ विशिष्ट सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉन का पथ इस बात पर निर्भर कर सकता है कि वह किस दिशा में यात्रा कर रहा है, जिससे एक प्रकार का इलेक्ट्रॉनिक 'वन-वे स्ट्रीट' (एकतरफा रास्ता) बन जाता है। गैर-पारस्परिक आवेश परिवहन (nonreciprocal charge transport) के रूप में जानी जाने वाली यह घटना केवल एक जिज्ञासा नहीं है; यह इस बात की खिड़की है कि इलेक्ट्रॉन कैसे चलते हैं जब उनका स्पिन और संवेग (momentum) एक विशिष्ट तरीके से एक साथ जुड़े होते हैं। वैज्ञानिक इस व्यवहार में विशेष रूप से रुचि रखते हैं क्योंकि यह ऐसे नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की ओर ले जा सकता है जो चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता के बिना संचालित होते हैं या जो कमरे के तापमान पर कार्य कर सकते हैं, जो वर्तमान प्रौद्योगिकियों के साथ हासिल करना कठिन रहा है।

नंजिंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब एक विशिष्ट सामग्री जिसे BiSbTeSe2 कहा जाता है, में इस एक-तरफा यातायात को नियंत्रित करने का एक शक्तिशाली नया तरीका खोज निकाला है। यह सामग्री टोपोलॉजिकल इंसुलेटर (topological insulators) नामक वर्ग से संबंधित है, जो इसलिए अद्वितीय हैं क्योंकि वे अंदर से इंसुलेटर के रूप में कार्य करते हैं लेकिन अपनी सतहों पर बिजली का संचालन करते हैं। टीम ने ग्रेफाइट और बोरॉन नाइट्राइड की परतों के बीच इस सामग्री के एक पतले फ्लेक (flake) का उपयोग करके एक छोटा उपकरण बनाया, और इसे सिलिकॉन आधार पर रखा। इस सैंडविच के ऊपर और नीचे वोल्टेज लगाकर, वे इस सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर को बदलने के लिए एक सटीक ट्यूनिंग नॉब (tuning knob) की तरह कार्य कर सकते थे। उन्होंने पाया कि इस ऊर्जा स्तर को उस विशिष्ट बिंदु पर ट्यून करके जहाँ सामग्री विद्युत रूप से तटस्थ (neutral) होती है, वे इस गैर-पारस्परिक प्रभाव को नाटकीय रूप से बढ़ा सकते थे। जब इलेक्ट्रॉनों को इस 'स्वीट स्पॉट' पर ट्यून किया गया, तो एक दिशा में बहने वाली धारा के प्रतिरोध और दूसरी दिशा में बहने वाले प्रतिरोध के बीच का अंतर बहुत अधिक हो गया।

इस प्रभाव की शक्ति केवल थोड़ी बेहतर नहीं थी; यह उन समान सामग्रियों की तुलना में लगभग दस गुना अधिक मजबूत थी जिनमें यह विशेष ट्यूनिंग नहीं थी। और भी उल्लेखनीय रूप से, यह प्रभाव तब भी गायब नहीं हुआ जब उपकरण को गर्म किया गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह एक-तरफा व्यवहार 300 केल्विन तक, जो लगभग कमरे के तापमान के बराबर है, मजबूत और स्थिर बना रहा। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि कई क्वांटम प्रभाव परम शून्य (absolute zero) से कुछ डिग्री ऊपर तापमान बढ़ने पर ही गायब हो जाते हैं। तथ्य यह है कि यह सामग्री कमरे के तापमान पर भी अपने विशेष गुणों को बनाए रखती है, यह सुझाव देता है कि यह भविष्य के उन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक व्यावहारिक निर्माण खंड हो सकती है जिन्हें अत्यधिक कूलिंग की आवश्यकता नहीं होती है।

यह क्यों होता है, इसे समझने के लिए, टीम को सामग्री की सतह पर इलेक्ट्रॉनों की गति को देखना था। इन टोपोलॉजिकल इंसुलेटरों में, इलेक्ट्रॉन 'स्पिन-मोमेंटम लॉकिंग' (spin-momentum locking) नामक एक नियम द्वारा बंधे होते हैं, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन का स्पिन दिशा उसकी यात्रा की दिशा से जुड़ी होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि गैर-पारस्परिक प्रभाव तब सबसे मजबूत था जब इलेक्ट्रॉन ऐसी स्थिति में चल रहे थे जहाँ यह लॉकिंग थोड़ी असमान या विषम (inhomogeneous) थी। यह असमानता इलेक्ट्रॉनों को उनकी दिशा के आधार पर अलग तरह से बिखेरती (scatter) है, जिससे एक-तरफा प्रतिरोध उत्पन्न होता है। टीम ने एक अन्य संभावित स्पष्टीकरण को खारिज करने में सफलता पाई, जिसमें इलेक्ट्रॉन पथों का एक विशिष्ट ज्यामितीय विरूपण शामिल है जिसे 'हेक्सागोनल वार्पिंग' (hexagonal warping) कहा जाता है। उपकरण के चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र को घुमाकर, उन्होंने देखा कि सिग्नल इस तरह से व्यवहार करता है जो वार्पिंग की भविष्यवाणियों से मेल नहीं खाता, जिससे यह पुष्टि हुई कि स्पिन-मोमेंटम लॉकिंग की असमानता ही वास्तविक कारण थी।

शोधकर्ताओं ने यह भी मानचित्रित किया कि ऊर्जा स्तर को उस तटस्थ बिंदु से दूर ले जाने पर यह प्रभाव कैसे बदलता है। उन्होंने पाया कि जैसे ही उन्होंने ऊर्जा स्तर को तटस्थ बिंदु के किसी भी एक ओर स्थानांतरित किया, प्रभाव का संकेत (sign) उलट गया, जिसका अर्थ है कि एक-तरफा प्रतिरोध की दिशा बदल गई। जब उन्होंने ऊर्जा स्तर को इस बिंदु से बहुत दूर, सामग्री के 'बल्क' (bulk) में गहराई तक ले जाया, जहाँ इलेक्ट्रॉन सामान्य धातुओं की तरह व्यवहार करते हैं, तो प्रभाव लगभग पूरी तरह से गायब हो गया। इसने पुष्टि की कि यह घटना सतह के इलेक्ट्रॉनों का गुण है, न कि सामग्री के आंतरिक भाग का। केवल विद्युत वोल्टेज को समायोजित करके इस प्रभाव को चालू और बंद करने, और यहाँ तक कि इसकी दिशा को उलटने की क्षमता, वैज्ञानिकों को बिजली के प्रवाह पर उच्च स्तर का नियंत्रण प्रदान करती है।

यह कार्य वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए टोपोलॉजिकल सामग्रियों के उपयोग के लिए एक स्पष्ट मार्ग को उजागर करता है। यह दिखाकर कि एक 'डुअल-गेट सेटअप' (dual-gate setup) क्वांटम प्रभाव को दस गुना तक बढ़ा सकता है और इसे कमरे के तापमान पर जीवित रख सकता है, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ये सामग्रियां व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत हैं। गैर-पारस्परिक गुणांक (nonreciprocal coefficient), जो यह मापता है कि सामग्री कितनी कुशलता से करंट को इस एक-तरफा प्रतिरोध में परिवर्तित करती है, Bi2Se3 नामक एक प्रसिद्ध सामग्री की तुलना में लगभग सौ गुना बड़ा पाया गया। यह सुझाव देता है कि BiSbTeSe2 उन उपकरणों को बनाने के लिए एक बेहतर मंच है जो गैर-रेखीय (nonlinear) चार्ज परिवहन पर निर्भर करते हैं। ये निष्कर्ष हमें यह गहरी समझ प्रदान करते हैं कि इलेक्ट्रॉन इन सामग्रियों की सतह पर कैसे परस्पर क्रिया करते हैं और जटिल कूलिंग सिस्टम की आवश्यकता के बिना कुशलतापूर्वक कार्य करने वाले नए इलेक्ट्रॉनिक घटकों को विकसित करने की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं।