Creating functional nanostructures for vortex manipulation in superconducting Bi$_\text{2}$Sr$_\text{2}$CaCu$_\text{2}$O$_\text{8+x}$ thin films via focused He ion beam irradiation

सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक) ऐसे पदार्थ हैं जो अत्यधिक कम तापमान पर ठंडा होने पर बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करते हैं। इनमें से कई पदार्थों में, चुंबकीय क्षेत्र केवल गुजर ही नहीं जाता; बल्कि यह चुंबकीय बल की छोटी, अलग-थलग नलिकाओं के रूप में प्रवेश करता है जिन्हें भंवर (vortices) कहा जाता है। एक आदर्श दुनिया में, ये भंवर स्थिर रहेंगे, जिससे पदार्थ ऊर्जा खोए बिना करंट प्रवाहित कर सकेगा। हालांकि, वास्तविक पदार्थों में, जब विद्युत प्रवाह बहता है तो ये भंवर इधर-उधर घूम सकते हैं, और यह गति प्रतिरोध पैदा करती है, जिससे सुपरकंडक्टिंग अवस्था नष्ट हो जाती है। इसे रोकने के लिए, वैज्ञानिक इन भंवरों को अपनी जगह पर थामे रखने के लिए पदार्थ के भीतर सूक्ष्म जाल या 'पिनिंग सेंटर्स' बनाने की कोशिश करते हैं। Bi-2212 नामक एक विशिष्ट सुपरकंडक्टर विशेष रूप से दिलचस्प है क्योंकि यह बहुत पतली, एक के ऊपर एक जमी हुई परतों से बना है। इस स्तरित संरचना में, चुंबकीय भंवर लंबी, निरंतर नलिकाओं की तरह व्यवहार नहीं करते हैं; इसके बजाय, वे प्रत्येक परत के भीतर स्थित डिस्क जैसे चपटे खंडों में टूट जाते हैं, जिन्हें 'पैनकेक भंवर' कहा जाता है। चूंकि ये परतें इतनी अलग-अलग हैं, इसलिए इन भंवरों को धकेलना बहुत आसान होता है, जिससे उन्हें नियंत्रित करना और व्यावहारिक उपकरणों के लिए उपयोग करना कठिन हो जाता है।

ऑस्ट्रिया और जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने Bi-2212 फिल्मों में इन अनियंत्रित भंवरों को वश में करने का एक नया तरीका खोजा है। उन्होंने सुपरकंडक्टर के भीतर दोषों (defects) का एक सटीक ग्रिड बनाने के लिए हीलियम आयनों की एक अत्यधिक केंद्रित बीम का उपयोग किया। ये दोष कृत्रिम जाल के रूप में कार्य करते हैं, जो एक नियमित अव्यवस्था का पैटर्न बनाते हैं जिसमें पैनकेक भंवर फंस सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब चुंबकीय क्षेत्र इतना मजबूत होता है कि वह इन जालों को ठीक से भर देता है, तो भंवर अपनी जगह पर लॉक हो जाते हैं, और पदार्थ बिना प्रतिरोध के करंट ले जाने में बहुत बेहतर हो जाता है। यह प्रभाव इतना शक्तिशाली है कि जब चुंबकीय क्षेत्र को एक कोण पर झुकाया जाता है, तब भी भंवर आयन बीम द्वारा बनाए गए निशानों के भीतर सीमित रहते हैं, और ऐसा व्यवहार करते हैं जैसे वे अभी भी दोषों के साथ संरेखित हों। यह कार्य सिद्ध करता है कि इस जटिल पदार्थ की आंतरिक संरचना को इंजीनियर करना संभव है, जो इन अद्वितीय भंवरों की गति को समझने और संभावित रूप से नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने के द्वार खोलता है।

इस परिणाम तक पहुँचने की यात्रा Bi-2212 के साथ काम करने की चुनौती के साथ शुरू हुई। हालांकि इस पदार्थ का 'क्रिटिकल टेम्परेचर' उच्च है, जिसका अर्थ है कि यह एक सुपरकंडक्टर के लिए अपेक्षाकृत गर्म तापमान पर भी सुपरकंडक्टिंग रहता है, इसकी स्तरित प्रकृति इसे अत्यंत नाजुक और पर्यावरण के प्रति संवेदनशील बनाती है। अन्य सुपरकंडक्टर्स के विपरीत जो अधिक मजबूत होते हैं, Bi-2212 हवा में जल्दी खराब हो जाता है, और इसे पतली, उपयोगी फिल्मों में बनाना एक नाजुक प्रक्रिया है। शोधकर्ताओं ने एक क्रिस्टल सबस्ट्रेट पर इस पदार्थ की उच्च गुणवत्ता वाली, अति-पतली फिल्में उगाकर शुरुआत की। ये फिल्में केवल 42 से 49 नैनोमीटर मोटी थीं, जो मानव बाल की चौड़ाई के एक हजारवें हिस्से से भी कम है। आवश्यक जाल बनाने के लिए, उन्होंने एक हीलियम आयन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके फिल्म पर हीलियम आयनों की एक बीम छोड़ी। बीम को केवल 21 नैनोमीटर चौड़े बिंदु तक केंद्रित किया गया था, जिससे उन्होंने प्रत्येक बिंदु के बीच 100 नैनोमीटर की दूरी पर दोषों का एक ग्रिड बनाया।

टीम ने यह देखने के लिए कि प्रभावी जाल बनाने के लिए कितने नुकसान की आवश्यकता है, आयन बीम की विभिन्न तीव्रताओं का परीक्षण किया। उन्होंने फिल्मों को प्रति स्पॉट 5,000 से 40,000 आयनों की सीमा में अलग-अलग संख्या में आयनों के साथ विकिरणित किया। उन्होंने पाया कि आयनों की कम संख्या से पदार्थ में केवल मामूली बदलाव आता है, लेकिन जैसे-जैसे उन्होंने संख्या बढ़ाकर 40,000 आयन प्रति स्पॉट की, उन्होंने फिल्म की मोटाई के माध्यम से चलने वाले मजबूत, बेलनाकार दोषों के स्तंभ बना दिए। ये स्तंभ चुंबकीय भंवरों के लिए मजबूत लंगर (anchors) के रूप में कार्य करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति पदार्थ की प्रतिक्रिया को मापा, तो उन्होंने देखा कि भंवर इन कृत्रिम जालों द्वारा पकड़े जा रहे हैं। विशेष रूप से, जब चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति ग्रिड की रिक्ति (spacing) से मेल खाती है, तो पदार्थ का विद्युत प्रतिरोध काफी कम हो जाता है, और बिना प्रतिरोध के करंट ले जाने की इसकी अधिकतम क्षमता में उछाल आता है। यह घटना, जिसे 'वोर्टेक्स मैचिंग' कहा जाता है, तब होती है जब भंवरों की संख्या उपलब्ध जालों की संख्या के साथ पूरी तरह फिट बैठती है, जिससे वे एक स्थिर व्यवस्था में लॉक हो जाते हैं।

जो बात इन निष्कर्षों को विशेष रूप से आश्चर्यजनक बनाती थी, वह यह थी कि चुंबकीय क्षेत्र को झुकाने पर पदार्थ कैसा व्यवहार करता है। बिना इन कृत्रिम जालों वाले एक विशिष्ट स्तरित सुपरकंडक्टर में, चुंबकीय क्षेत्र को झुकाने से पैनकेक भंवर ढीले और गतिशील हो जाते हैं, जिससे सुपरकंडक्टिंग गुणों का तेजी से नुकसान होता है। हालांकि, इन आयन-इ irradiated (विकिरणित) फिल्मों में, चुंबकीय क्षेत्र को तीव्र कोणों पर झुकाने के बावजूद, भंवर हीलियम बीम द्वारा बनाए गए निशानों के भीतर मजबूती से बंधे रहे। शोधकर्ताओं ने देखा कि इन फिल्मों के विद्युत गुणों को एक एकल, एकीकृत नियम द्वारा वर्णित किया जा सकता था जो झुकाव को ध्यान में रखता है, जिससे पता चलता है कि कृत्रिम ट्रैक इतने प्रभावी थे कि वे भंवरों के व्यवहार पर हावी रहे। भंवर अनिवार्य रूप से दोषों के स्तंभों के साथ संरेखित रहे, और अलग होने की प्रवृत्ति का विरोध किया। यह मजबूत नियंत्रण उच्च चुंबकीय क्षेत्रों में और तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में स्पष्ट था।

शोधकर्ताओं ने अपने परिणामों की तुलना एक अलग सुपरकंडक्टर, YBCO, से भी की, जो चुंबकीय क्षेत्र के ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) के प्रति कम संवेदनशील है। उन्होंने पाया कि Bi-2212 में समान ट्रैपिंग प्रभाव बनाने के लिए YBCO की तुलना में बहुत अधिक संख्या में आयनों की आवश्यकता थी। यह अंतर संभवतः इसलिए है क्योंकि Bi-2212 में परमाणु अधिक मजबूती से जुड़े होते हैं, या क्योंकि आयन द्वारा दोष बनाने की प्रक्रिया इस स्तरित पदार्थ में भिन्न है। YBCO में, आयन आसानी से विशिष्ट ऑक्सीजन परमाणुओं को विस्थापित कर देते हैं जो पदार्थ के गुणों के लिए महत्वपूर्ण हैं, लेकिन Bi-2212 में, प्रक्रिया में विभिन्न परतों के भीतर विविध प्रकार के परमाणुओं को विस्थापित करना शामिल लगता है। इस उच्च ऊर्जा आवश्यकता के बावजूद, यह विधि सफल रही, जिसने भंवरों के लिए एक स्थिर, इंजीनियर परिदृश्य बनाया।

इस कार्य के निहितार्थ केवल इन पदार्थों के भौतिकी को समझने तक ही सीमित नहीं हैं। यह प्रदर्शित करके कि केंद्रित आयन बीम Bi-2212 की अति-पतली फिल्मों को सटीक रूप से पैटर्न बना सकते हैं, शोधकर्ताओं ने भविष्य के उपकरण विकास के लिए एक उपकरण प्रदान किया है। यह पदार्थ सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर जैसे उन्नत अनुप्रयोगों के लिए एक उम्मीदवार है, जिनका उपयोग अत्यंत मंद प्रकाश संकेतों को महसूस करने के लिए किया जाता है। ऐसे उपकरणों के काम करने के लिए, पदार्थ का पतला होना और उसके गुणों का सटीक रूप से नियंत्रित होना आवश्यक है। पिनिंग केंद्रों का एक नियमित सरणी बनाने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब नियंत्रित तरीके से चुंबकीय क्षेत्रों के पदार्थ के साथ होने वाली अंतःक्रिया को संचालित कर सकते हैं। इस स्तर का नियंत्रण इस अत्यधिक एनिसोट्रोपिक (विषमदैशिक) सुपरकंडक्टर पर आधारित विश्वसनीय उपकरण बनाने के लिए आवश्यक है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि हालांकि Bi-2212 एक जटिल और नाजुक पदार्थ है, इसके अद्वितीय गुणों को सावधानीपूर्वक इंजीनियरिंग के माध्यम से हासिल किया जा सकता है, जिससे एक मौलिक चुनौती को एक कार्यात्मक लाभ में बदला जा सके।