Characterizing supersolid phase transitions in trapped quantum gases with tilted dipoles at finite temperature

प्रयोगशाला के सबसे ठंडे कोनों में, जहाँ परमाणु पूर्ण शून्य से केवल एक अंश ऊपर के तापमान तक ठंडे किए जाते हैं, पदार्थ उन तरीकों से व्यवहार करता है जो हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं। इन चरम स्थितियों के तहत, परमाणुओं की एक गैस एक सुपरफ्लुइड (superfluid) में बदल सकती है, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ कण बिना किसी घर्षण के बहते हैं, एक दूसरे के पास से ऐसे फिसलते हैं जैसे कि वे एक एकल, पूर्ण इकाई हों। फिर भी, भौतिकी एक और भी विचित्र संभावना की अनुमति देती है: एक ऐसा पदार्थ जो एक साथ सुपरफ्लुइड और ठोस दोनों है। यह दुर्लभ अवस्था, जिसे 'सुपरसॉलिड' (supersolid) कहा जाता है, एक ऐसे तरल की तरलता रखती है जो हमेशा के लिए बहता रहता है, जबकि साथ ही इसमें एक कठोर, क्रिस्टलीय संरचना भी होती है जहाँ परमाणु एक दोहराव वाले पैटर्न में बंधे होते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन सामग्रियों को बनाने और समझने का प्रयास कर रहे हैं, जो पदार्थ की दो परस्पर विरोधी अवस्थाओं के मिलन बिंदु पर स्थित हैं। चुनौती उन बलों के नाजुक संतुलन को नियंत्रित करने में निहित है जो इन परमाणुओं को एक साथ थामे रखते हैं, विशेष रूप से तब जब परमाणु स्वयं छोटे चुंबकों की तरह कार्य करते हैं, जो लंबी दूरी तक एक दूसरे को खींचते और धकेलते हैं।

हाइडेलबर्ग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह मानचित्रित किया है कि ये सुपरसॉलिड अवस्थाएँ कैसे बदलती और विकसित होती हैं, जो प्रयोगशाला में उन्हें बनाने के लिए एक विस्तृत मार्गदर्शिका प्रदान करती है। डिस्प्रोसियम (dysprosium) परमाणुओं के एक बादल का अनुकरण (simulate) करके, जो एक चुंबकीय क्षेत्र में फंसे हुए हैं, वैज्ञानिकों ने यह पता लगाया कि कैसे यह पदार्थ विभिन्न रूपों के बीच बदलता है जब उन्होंने परमाणु अंतःक्रियाओं की शक्ति और परमाणुओं के चुंबकीय क्षेत्रों के झुकाव के कोण में बदलाव किया। उनका कार्य प्रकट करता है कि एक चिकने, समान तरल और एक संरचित, क्रिस्टलीय ठोस के बीच का संक्रमण एक साधारण स्विच नहीं है। इसके बजाय, इस परिवर्तन की प्रकृति तापमान, मौजूद परमाणुओं की संख्या और उन्हें थामे रखने वाले ट्रैप (trap) के विशिष्ट आकार पर बहुत अधिक निर्भर करती है। कुछ स्थितियों में, यह बदलाव अचानक होता है, जैसे पानी बर्फ में तुरंत जम जाता है; अन्य में, यह एक धीमी पिघलने की प्रक्रिया की तरह धीरे-धीरे प्रकट होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र के झुकाव को समायोजित करके, वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि यह संक्रमण तीव्र था या सुचारू, और बहुत अधिक ढलान वाले कोणों पर इस व्यवहार को उलट भी सकते थे।

यह अध्ययन एक विशिष्ट प्रकार के परमाणु, डिस्प्रोसियम-164 पर केंद्रित था, जो अत्यधिक चुंबकीय है और इन विलक्षण अवस्थाओं को बनाने के लिए आदर्श है। शोधकर्ताओं ने लगभग दो लाख इन परमाणुओं के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग किया, जो एक सर्फबोर्ड के आकार के ट्रैप के भीतर सीमित थे। इस आभासी वातावरण में, वे "संपर्क अंतःक्रिया" (contact interaction) को नियंत्रित कर सके, जो अनिवार्य रूप से यह है कि परमाणु एक-दूसरे से टकराने पर कितनी मजबूती से प्रतिकर्षण करते हैं, और "डाइपोल ओरिएंटेशन" (dipole orientation) को, जो ट्रैप के सापेक्ष परमाणुओं के चुंबकीय क्षेत्रों का कोण है। अपने सिमुलेशन में इन सेटिंग्स को धीरे-धीरे बदलते हुए, उन्होंने देखा कि परमाणुओं का बादल खुद को कैसे पुनर्व्यवस्थित करता है। उन्होंने तीन मुख्य चरणों का अवलोकन किया: एक समान सुपरफ्लुइड जहाँ घनत्व हर जगह समान है, एक त्रिकोणीय व्यवस्था जहाँ परमाणु हनीकॉम्ब जैसी ग्रिड वाली बूंदों के समूह बनाते हैं, और एक स्ट्राइप (stripe) अवस्था जहाँ परमाणु समानांतर पंक्तियों में संरेखित होते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक उन संरचित पैटर्न से एक समान सुपरफ्लुइड में होने वाले संक्रमण से संबंधित है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब चुंबकीय क्षेत्र सीधे ऊपर और नीचे की ओर संरेखित होते हैं, तो तरल से ठोस में परिवर्तन अचानक और विच्छिन्न (discontinuous) होता है। हालाँकि, जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकीय क्षेत्रों को झुकाया, यह तीव्र उछाल सुचारू होने लगा। एक निश्चित कोण पर, लगभग साठ डिग्री पर, संक्रमण निरंतर (continuous) हो गया, जिसका अर्थ है कि संरचना घनत्व में अचानक उछाल के बिना धीरे-धीरे उभरी। यह व्यवहार केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं था; टीम ने पाया कि इसे अन्य कारकों को बदलकर भी ट्यून किया जा सकता था। गैस के तापमान को बढ़ाने या ट्रैप में अधिक परमाणु जोड़ने से संक्रमण अधिक सुचारू हो गया और यह कम झुकाव कोणों पर हुआ। इसके विपरीत, ऊर्ध्वाधर दिशा में ट्रैप को अधिक सख्त बनाने से भी सुचारू संक्रमण को बढ़ावा मिला। ये परिणाम बताते हैं कि चरण परिवर्तन (phase change) का क्रम निश्चित नहीं है, बल्कि यह एक लचीला गुण है जिसे प्रयोगात्मक विशेषज्ञ द्वारा इंजीनियर किया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने त्रिकोणीय बूंद व्यवस्था और स्ट्राइप पैटर्न के बीच के बदलाव की भी जांच की। इस मामले में, यह पाया गया कि जब परमाणु अंतःक्रियाएं कमजोर थीं तो संक्रमण अचानक था, लेकिन जैसे-जैसे अंतःक्रियाएं मजबूत हुईं और सिस्टम एक समान सुपरफ्लिड की सीमा के करीब पहुँचा, यह अधिक निरंतर हो गया। दिलचस्प बात यह है कि टीम ने नोट किया कि ट्रैप की उपस्थिति, जिसमें असमान घनत्व होता है, ने एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। एक वास्तविक प्रयोग में, परमाणु समान रूप से फैले हुए नहीं होते हैं; वे केंद्र में अधिक घने और किनारों पर विरल होते हैं। इस विषमता का अर्थ था कि संक्रमण पूरे बादल में एक साथ नहीं हुआ। इसके बजाय, नई संरचना अक्सर केंद्र में पहले प्रकट हुई और फिर बाहर की ओर फैली, जिससे ट्रैप की विशिष्ट ज्यामिति पर निर्भर चरणों का एक जटिल मिश्रण बन गया।

बहुत बड़े झुकाव कोणों पर, साठ डिग्री से परे, व्यवहार फिर से बदल गया। संक्रमण अचानक वापस आ गया, लेकिन एक नई जटिलता के साथ। शोधकर्ताओं ने देखा कि यह परिवर्तन अलग-अलग चरणों में हुआ, जिसमें घनत्व का पैटर्न एक एकल उछाल के बजाय चरणों में पुनर्गठित हुआ। इन उच्च-कोण परिदृश्यों में, परमाणुओं ने ऐसी संरचनाएं बनाईं जो स्ट्राइप्स जैसी दिखती थीं लेकिन उनमें आंतरिक भिन्नताएं थीं, जो कि फंसे हुए बादल के सीमित आकार के विशिष्ट तरीकों से जुड़ और टूट रही थीं। यह सुझाव देता है कि सिस्टम का आकार महत्वपूर्ण है; एक ट्रैप में फंसे परमाणुओं के छोटे समूह में जो होता है, वह एक विशाल, अनंत सामग्री के व्यवहार से भिन्न हो सकता है।

यह अध्ययन उन प्रयोगात्मक विशेषज्ञों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है जो वास्तविक दुनिया में इन संक्रमणों को देखना चाहते हैं। यह जानकर कि झुकाव कोण, तापमान और परमाणु संख्या कैसे चरण परिवर्तन की प्रकृति को प्रभावित करती है, शोधकर्ता ऐसे प्रयोगों को डिजाइन कर सकते हैं जो या तो एक तीव्र, अचानक परिवर्तन या एक सौम्य, निरंतर विकास को देखने के लिए हों। उनका कार्य 'फिनिट-साइज इफेक्ट्स' (finite-size effects) के महत्व को भी उजागर करता है, जो हमें याद दिलाता है कि एक ट्रैप में परमाणुओं के एक छोटे समूह का व्यवहार हमेशा एक विशाल, अनंत प्रणाली के व्यवहार का सटीक दर्पण नहीं होता है। हालांकि इस अध्ययन में उपयोग किए गए सिमुलेशन स्थापित भौतिक नियमों पर आधारित हैं, वे एक अंतिम प्रमाण के बजाय एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य करते हैं, जो भविष्य के प्रयोगों की ओर इशारा करते हैं जो वास्तविक प्रयोगशालाओं में इन भविष्यवाणियों का परीक्षण करेंगे। चरण परिवर्तन के क्रम को ट्यून करने की क्षमता क्वांटम पदार्थ पर नियंत्रण का एक नया स्तर प्रदान करती है, जो इन सामग्रियों के प्रति त्वरित परिवर्तनों के प्रति उनकी प्रतिक्रिया और भविष्य की तकनीकों में उनके उपयोग की संभावनाओं को तलाशने का द्वार खोलती है जो सुपरसॉलिड्स के अद्वितीय गुणों पर निर्भर करती हैं।