Direct real-space imaging of sign-reversal superconducting state by scanning Josephson tunneling

भौतिकी की सबसे रहस्यमय सामग्रियों के केंद्र में एक सरल प्रश्न है: इलेक्ट्रॉन कैसे जोड़े बनाकर बिना किसी प्रतिरोध के प्रवाहित होते हैं? कई उच्च-तापमान वाले अतिचालकों (superconductors) में, ये जोड़े समान जुड़वा नहीं होते; वे विपरीत दिशाओं में चलने वाले साथियों की तरह होते हैं, जिसे 'साइन-रिवर्शल' (sign-reversal) नामक अवस्था कहा जाता है। इस साझेदारी के सटीक आकार, या इसकी सममिति (symmetry) को निर्धारित करना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उन छिपी हुई शक्तियों को प्रकट करता है जो इलेक्ट्रॉनों को एक साथ बांधती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन आकारों का अनुमान लगाने के लिए बड़े पैमाने पर प्रयोगों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन ये विधियाँ अक्सर सूक्ष्म विवरणों को धुंधला कर देती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक मील दूर से किताब पढ़ने की कोशिश करना। आयरन-आधारित अतिचालकों के लिए यह चुनौती विशेष रूप से कठिन रही है, जो सामग्रियों का एक शक्तिशाली परिवार है जहाँ युग्मन (pairing) के नियम जटिल हैं और संकेत अक्सर कई प्रकार के इलेक्ट्रॉनों की उपस्थिति से अस्पष्ट हो जाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को एक ऐसे सूक्ष्मदर्शी (microscope) के साथ देखा है जो इतना शक्तिशाली है कि वह व्यक्तिगत परमाणुओं को देख सकता है, जो इस बात का सीधा दृश्य प्रदान करता है कि ये इलेक्ट्रॉन जोड़े कैसे व्यवहार करते हैं। एक विशेष तकनीक, जिसे 'स्कैनिंग जोसेफसन टनलिंग माइक्रोस्कोपी' कहा जाता है, का उपयोग करके, उन्होंने एक क्रिस्टल सतह पर विकसित आयरन-आधारित सामग्री की एक एकल परत के अतिचालक अवस्था का मानचित्रण किया। एक समान चमक वाली अतिचालकता देखने के बजाय, उन्होंने प्रकाश और अंधेरे के धब्बों का एक आश्चर्यजनक पैटर्न पाया जो प्रत्येक आधे परमाणु के हर आधे परमाणु के अंतराल पर दोहराया गया था। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन जोड़ों का संकेत परमाणुओं को जोड़ने वाली विशिष्ट रेखाओं के साथ पूरी तरह से गायब हो गया। यह "शून्य रेखा" (zero line) सामग्री में कोई दोष या अंतराल नहीं है, बल्कि इलेक्ट्रॉन जोड़ों के एक-दूसरे को रद्द करने का एक मौलिक संकेत है। निष्कर्ष दृढ़ता से सुझाव देते हैं कि इस सामग्री में इलेक्ट्रॉन एक विशिष्ट, साइन-रिवर्सिंग पैटर्न में जुड़े हुए हैं जिसे 'नोडलेस डी-वेव' (nodeless d-wave) कहा जाता है, एक ऐसा आकार जिसे सैद्धांतिक रूप से बताया गया था लेकिन कभी इस तरह सीधे तौर पर देखा नहीं गया था।

यह कहानी एक ऐसी सामग्री से शुरू होती है जिसने वैज्ञानिकों को वर्षों से उलझा रखा है: आयरन, टेल्यूरियम और सेलेनियम की एक एकल परत, जो केवल एक परमाणु मोटी है, जो स्ट्रोंटियम टाइटेनेट की सतह पर स्थित है। यह फिल्म इस बात के लिए प्रसिद्ध है कि यह अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर अतिचालक बन जाती है, फिर भी इसकी आंतरिक संरचना गहन बहस का विषय बनी हुई है। इसके भीतर क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे उपकरण की आवश्यकता थी जो इलेक्ट्रॉन जोड़ों के क्वांटम चरण (quantum phase) की जांच कर सके, जो एक गुण है जो यह निर्धारित करता है कि वे कैसे चलते हैं और परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग किया जिसका टिप लेड (सीसा) से लेपित था, जो एक पारंपरिक अतिचालक है। जैसे ही यह अतिचालक टिप आयरन-आधारित फिल्म के ठीक ऊपर मंडराती है, यह एक सूक्ष्म सेतु बनाती है, जिससे इलेक्ट्रॉन जोड़े इस अंतराल के पार टनल (tunnel) कर पाते हैं। टनलिंग करंट की शक्ति इस बात पर निर्भर करती है कि टिप और फिल्म के इलेक्ट्रॉन जोड़ों के चरण (phases) आपस में कैसे संरेखित होते हैं।

शोधकर्ताओं ने केवल एक बिंदु पर करंट को नहीं मापा; उन्होंने टिप को परमाणु-दर-परमाणु सतह पर घुमाया, और हर स्थान पर टनलिंग सिग्नल की शक्ति को रिकॉर्ड किया। उन्होंने जो पाया वह नाटकीय कंट्रास्ट का परिदृश्य था। सिग्नल पड़ोसी आयरन परमाणुओं के मध्य बिंदुओं पर सबसे मजबूत था, लेकिन जैसे ही टिप अगले-निकटतम (next-nearest) आयरन परमाणुओं को जोड़ने वाली रेखाओं की ओर बढ़ी, सिग्नल तेजी से गिर गया। वास्तव में, इन विकर्ण रेखाओं के साथ, टनलिंग करंट लगभग पूरी तरह से गायब हो गया। यह एक गहरा अवलोकन है क्योंकि इन बिंदुओं के बीच की दूरी अविश्वसनीय रूप से कम है, जो सामान्यतः एक अतिचालक क्षेत्र के आकार से बहुत कम है। यदि सामग्री केवल असमान होती या यदि अतिचालकता पैच जैसी होती, तो सिग्नल इन विशिष्ट ज्यामितीय रेखाओं के साथ इतनी सटीकता से गायब नहीं होता। लुप्त होता सिग्नल यह दर्शाता है कि रेखा के एक तरफ के इलेक्ट्रॉन दूसरी तरफ के साथ पूरी तरह से तालमेल से बाहर हैं, जिससे वे विनाशकारी व्यतिकरण (destructive interference) के माध्यम से एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं।

यह रद्दीकरण एक विशिष्ट प्रकार की पेयरिंग सिमेट्री के लिए 'स्मोकिंग गन' (पुख्ता सबूत) है। क्वांटम यांत्रिकी की भाषा में, शोधकर्ताओं ने पाया कि इलेक्ट्रॉन जोड़े इन विकर्ण रेखाओं के आर-पार अपना चिह्न (sign) बदल देते हैं। यह व्यवहार 'नोडलेस डी-वेव' अवस्था के सैद्धांतिक पूर्वानुमान से मेल खाता है, जहाँ पेयरिंग फंक्शन का एक विशिष्ट आकार होता है जो कुछ रोटेशन और रिफ्लेक्शन के तहत अपना चिह्न बदल देता है। टीम ने अन्य अतिचालकों का परीक्षण करके पुष्टि की कि यह पैटर्न उनके उपकरणों या विशिष्ट सामग्री संरचना का कोई आर्टिफैक्ट (दोष) नहीं है। जब उन्होंने लेड से बने एक पारंपरिक अतिचालक पर वही प्रयोग किया, तो सिग्नल समान रहा, जिसमें ऐसा कोई रद्दीकरण नहीं देखा गया। जब उन्होंने आयरन-आधारित सामग्री के बल्क (bulk) संस्करण को देखा, जो एक अलग पेयरिंग संरचना के लिए जाना जाता है, तो सिग्नल भी समान था। हालाँकि, जब उन्होंने एक अलग आयरन-आधारित फिल्म और एक प्रसिद्ध कॉपर-आधारित सुपरकंडक्टर का परीक्षण किया, जो दोनों डी-वेव सिमेट्री के लिए जाने जाते हैं, तो उन्होंने विकर्ण रेखाओं के साथ वही लुप्त होता सिग्नल देखा।

परिणाम इन आयरन-आधारित फिल्मों में अतिचालक अवस्था की एक स्पष्ट, वास्तविक-स्थान (real-space) चित्र प्रदान करते हैं। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि इस एकल-परत सामग्री में इलेक्ट्रॉन जोड़े कई अन्य आयरन-आधारित अतिचालकों में देखे जाने वाले सरल, समान पैटर्न का पालन नहीं कर रहे हैं। इसके बजाय, वे एक जटिल, साइन-रिवर्सिंग नृत्य में बंधे हुए हैं जो शून्य सिग्नल की ये रेखाएं बनाते हैं। यह खोज इस विचार का समर्थन करती है कि इन आयरन-आधारित फिल्मों में उच्च-तापमान वाली अतिचालकता एक विशिष्ट प्रकार के युग्मन से उत्पन्न होती है जो पहले केवल एक परिकल्पना थी। इलेक्ट्रॉन जोड़ों के व्यतिकरण को सीधे परमाणु स्तर पर देखकर, यह अध्ययन अतिचालकता के पीछे के तंत्र को समझने का एक नया तरीका प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि इन सामग्रियों के रहस्यों को खोलने की कुंजी इलेक्ट्रॉन जोड़ों के सूक्ष्म रद्दीकरण और संरेखण को देखने में निहित है, जहाँ वे रहते हैं, न कि उन्हें एक बड़े क्षेत्र पर औसत निकालकर देखने में। यह कार्य समान स्तर के विवरण के साथ अन्य विलक्षण (exotic) अतिचालकों की खोज के मार्ग खोलता है, जो संभावित रूप से उन छिपे हुए नियमों को प्रकट कर सकता है जो यह नियंत्रित करते हैं कि पदार्थ बिना किसी हानि के बिजली का संचालन कैसे करता है।