Coherent Electronic Lensing in Proximitized Graphene

सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, वैज्ञानिक इलेक्ट्रॉनों के साथ केवल बिजली के प्रवाह के रूप में ही नहीं, बल्कि तरंगों (waves) के रूप में व्यवहार करना सीख रहे हैं जिन्हें प्रकाश के लेंस से गुजरने वाली तरंगों की तरह निर्देशित, केंद्रित और एक-दूसरे के साथ व्यतिकरण (interfere) करने के लिए बनाया जा सकता है। इलेक्ट्रॉन क्वांटम ऑप्टिक्स के रूप में ज्ञात यह क्षेत्र उन सामग्रियों पर निर्भर करता है जहाँ इलेक्ट्रॉन अशुद्धियों से टकराए बिना लंबी दूरी तय कर सकते हैं, जिससे उनकी तरंग-जैसी प्रकृति बरकरार रहती है। इसके लिए सबसे आशाजनक सामग्रियों में से एक ग्राफीन है, जो कार्बन परमाणुओं की एक ऐसी परत है जो इतनी पतली है कि यह अनिवार्य रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) है। अपनी अनूठी संरचना के कारण, ग्राफीन में इलेक्ट्रॉन इस तरह से चलते हैं जिससे शोधकर्ता ऐसे विद्युत परिपथ बना सकते हैं जो ऑप्टिकल उपकरणों, जैसे कि दर्पण और लेंस की नकल करते हैं, लेकिन विद्युत धारा के लिए। इन इलेक्ट्रॉन तरंगों को नियंत्रित करने का तरीका समझना अगली पीढ़ी के अति-तीव्र, कम-शक्ति वाले कंप्यूटर और सेंसर बनाने के लिए महत्वपूर्ण है जो क्वांटम अवस्थाओं के नाजुक व्यतिकरण पर निर्भर करते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सुपरकंडक्टिंग (अतिचालक) उपकरण के भीतर इन इलेक्ट्रॉन तरंगों को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है, जो एक साधारण प्रोब को एक ट्यून करने योग्य लेंस में बदल देता है। सुपरकंडक्टिंग मेटल लीड्स के बीच ग्राफीन से बने एक विशेष प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक जंक्शन के साथ काम करते हुए, उन्होंने 'स्कैनिंग गेट माइक्रोस्कोपी' नामक तकनीक का उपयोग किया। इस सेटअप में, एक बहुत ही तीक्ष्ण, विद्युत रूप से आवेशित सुई को उपकरण की सतह के ऊपर बिना छुए धीरे-धीरे घुमाया जाता है। जैसे ही सुई ऊपर मंडराती है, इसका विद्युत क्षेत्र एक स्थानीय गेट की तरह कार्य करता है, जो नीचे से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों को धीरे से धकेलता और खींचता है। जैसे-जैसे सुई चलती है, विद्युत धारा में होने वाले परिवर्तनों का सावधानीपूर्वक मानचित्रण करके, वैज्ञानिकों ने पाया कि यह टिप केवल इलेक्ट्रॉनों की समग्र ऊर्जा को ही नहीं बदलती; बल्कि यह उनके पथ को सक्रिय रूप से मोड़ती है, उन्हें एक लेंस की तरह केंद्रित करती है ताकि व्यतिकरण के विशिष्ट पैटर्न बन सकें।

उन्होंने जिस उपकरण का अध्ययन किया वह एक 'बैलिस्टिक ग्राफीन जोसेफसन जंक्शन' है, जो एक ऐसा घटक है जहाँ इलेक्ट्रॉन दो सुपरकंडक्टिंग संपर्कों के बीच स्वतंत्र रूप से यात्रा करते हैं। इस जंक्शन के भीतर, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट क्षेत्र बनाया था जहाँ इलेक्ट्रॉनों का विद्युत आवेश उल्टा हो गया था, जिससे एक कैविटी (गुहा) बन गई जो तरंगों को कैद करती है। जब इलेक्ट्रॉन इस कैविटी की सीमाओं के बीच आगे-पीछे टकराते हैं, तो वे एक स्थिर तरंग पैटर्न (standing wave pattern) बनाते हैं, जैसा कि पानी की लहरों को दीवार से टकराकर वापस लौटते समय देखा जाता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि यदि वे अपनी स्कैनिंग सुई से स्थानीय रूप से इलेक्ट्रॉनों को बाधित करते हैं, तो यह पैटर्न कैसे बदलेगा। उन्होंने दो चीजें मापीं: सामान्य अवस्था में उपकरण की विद्युत चालकता, और अधिकतम धारा जो यह सुपरकंडक्टिंग रहते हुए वहन कर सकती है।

उन्होंने अपने डेटा मानचित्रों में सुंदर, गोलाकार छल्ले पाए। ये छल्ले तब दिखाई दिए जब सुई को जंक्शन के ऊपर से घुमाया गया था, और वे सामान्य चालकता और सुपरकंडक्टिंग धारा दोनों में दिखाई दिए। पहली नज़र में, कोई यह मान सकता है कि सुई केवल एक दूसरे गेट की तरह कार्य कर रही है, जो पूरी कैविटी में इलेक्ट्रॉनों के घनत्व को बदल रही है। यदि केवल यही प्रभाव होता, तो व्यतिकरण पैटर्न सुई के हिलने पर सहज रूप से शिफ्ट हो जाते। हालाँकि, डेटा ने कुछ अधिक जटिल दिखाया। शोधकर्ताओं ने देखा कि सुई इलेक्ट्रॉनों के पथ में एक स्थानीय विरूपण (distortion) भी पैदा कर रही थी। यह विरूपण एक सुसंगत लेंस (coherent lens) के रूप में कार्य करता था, जो इलेक्ट्रॉनों के पथ में चरण (phase), या समय, को बदल देता था। इस लेंसिंग प्रभाव के कारण व्यतिकरण फ्रिंज (interference fringes) एक विशिष्ट तरीके से दोलन करने लगे, जिसे इलेक्ट्रॉनों के सरल वैश्विक बदलाव द्वारा नहीं समझाया जा सकता था।

इसकी पुष्टि करने के लिए, टीम ने एक गणितीय मॉडल बनाया जिसने सुई के प्रभाव को एक व्यापक, वैश्विक प्रभाव और एक तीक्ष्ण, स्थानीय विक्षोभ (perturbation) के संयोजन के रूप में माना। मॉडल ने प्रयोगों में देखे गए गोलाकार फ्रंज पैटर्न को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि स्थानीय लेंसिंग ही मुख्य तंत्र था। शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि सुई कैविटी के भौतिक आकार या इलेक्ट्रॉनों द्वारा तय किए जाने वाले पथ की लंबाई को बदल रही थी। इसके बजाय, साक्ष्य इस ओर इशारा करते थे कि सुई इलेक्ट्रॉन प्रक्षेप पथों के साथ संचित क्वांटम चरण को संशोधित कर रही थी। इसका अर्थ है कि सुई प्रभावी रूप से तरंगों के लिए व्यतिकरण की स्थितियों को फिर से ट्यून कर रही थी, उन्हें रचनात्मक व्यतिकरण (constructive interference), जहाँ वे एक-दूसरे को सुदृढ़ करते हैं, से विनाशकारी व्यतिकरण (destructive interference), जहाँ वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, की ओर स्थानांतरित कर रही थी।

उल्लेखनीय रूप से, यह लेंसिंग तंत्र तब भी उतना ही प्रभावी रहा जब उपकरण अपनी सुपरकंडक्टिंग अवस्था में था। इस शासन (regime) में, धारा उन इलेक्ट्रॉन युग्मों द्वारा ले जाई जाती है जिन्होंने एक विशेष क्वांटम बंधन बनाया है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सुई उस नाजुक संतुलन को बाधित कर सकती थी जो इन युग्मों को बिना प्रतिरोध के बहने के लिए आवश्यक है। इलेक्ट्रॉन तरंगों के चरण को बदलकर, टिप सिस्टम को अनुनाद (resonance) से बाहर धकेल सकती थी, जिससे विशिष्ट स्थानों पर सुपरकरंट को चालू और बंद किया जा सकता था। इसने प्रदर्शित किया कि वही सुसंगत लेंसिंग सिद्धांत इन उपकरणों में सामान्य इलेक्ट्रॉन परिवहन और सुपरकंडक्टिंग परिवहन दोनों को नियंत्रित करता है।

यह अध्ययन स्थापित करता है कि एक स्कैनिंग प्रोब, क्वांटम व्यतिकरण को नियंत्रित करने के लिए एक अत्यधिक सटीक, ट्यून करने योग्य लेंस के रूप में कार्य कर सकता है। टिप को हिलाकर, शोधकर्ता अब इलेक्ट्रॉन तरंगों को सक्रिय रूप से निर्देशित कर सकते हैं और उन स्थितियों को नियंत्रित कर सकते हैं जिनमें वे व्यतिकरण करते हैं, और यह सब उपकरण की भौतिक संरचना को बदले बिना किया जा सकता है। यह क्षमता जटिल वातावरण में क्वांटम सुसंगतता (coherence) कैसे व्यवहार करती है, इसे समझने के नए मार्ग खोलती है और सुझाव देती है कि भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण स्थानीय विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके गतिशील रूप से पुनर्गठित किए जा सकते हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि ग्राफीन में सुपरकंडक्टिविटी और इलेक्ट्रॉन ऑप्टिक्स के बीच का परस्पर प्रभाव उन घटनाओं से समृद्ध है जिनका उपयोग उन्नत क्वांटम अवस्थाओं के नियंत्रण के लिए किया जा सकता है, जो इलेक्ट्रॉन क्वांटम ऑप्टिक्स के उभरते क्षेत्र के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करता है।