Neutron Scattering studies of the density dependence of One-dimensional Quantum Fluids
यह शोध पत्र न्यूट्रॉन स्कैटरिंग के परिणामों को प्रस्तुत करता है जो यह प्रदर्शित करते हैं कि जैसे-जैसे एक टेम्पलेटेड छिद्रपूर्ण सामग्री में एक-आयामी He का भराव अंश बढ़ता है, इसका केंद्रीय तरल कोर एक निश्चित घनत्व बनाए रखता है जबकि इसका स्थानिक विस्तार बढ़ता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च-आयामी सुपरफ्लुइड्स से भिन्न उत्तेजनाएं उत्पन्न होती हैं।
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भौतिकी के विशाल परिदृश्य में, पदार्थ इस आधार पर अलग तरह से व्यवहार करता है कि उसके पास घूमने के लिए कितनी जगह है। हमारी रोजमर्रा की त्रि-आयामी दुनिया में, कण किसी भी दिशा में बह सकते हैं, जिससे परिचित अवस्थाएं जैसे तरल और ठोस बनते हैं। लेकिन जब वैज्ञानिक पदार्थ को इतने संकीले स्थान में दबा देते हैं कि वह केवल एक एकल रेखा में ही चल सके, तो नियम पूरी तरह बदल जाते हैं। यह एक-आयामी क्वांटम तरल (one-dimensional quantum fluids) का क्षेत्र है। इन तंग गलियारों में, कण एक-दूसरे के पास से गुजर नहीं सकते, और उनका व्यवहार नियमों के एक अनूठे सेट द्वारा नियंत्रित होता है जहाँ वे व्यक्तिगत कंचों के बजाय एक एकल, सामूहिक तरंग की तरह कार्य करते हैं। यह समझना कि ये तरल कैसे व्यवहार करते हैं, महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को उन मौलिक सिद्धांतों का परीक्षण करने में मदद करता है जो ब्रह्ले के सबसे सूक्ष्म स्तरों, जैसे कि कंप्यूटर चिप्स में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार से लेकर बिना घर्षण के बहने वाले सुपरफ्लुइड्स की प्रकृति तक, काम करने के तरीके का वर्णन करते हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में हीलियम, जो सबसे हल्की उत्कृष्ट गैस है, का उपयोग करके ऐसे एक-आयामी तरल को बनाने और अध्ययन करने का लक्ष्य रखा। हीलियम भौतिकविदों के लिए एक पसंदीदा विषय है क्योंकि यह कल्पना की जा सकने वाली सबसे ठंडी तापमानों पर भी तरल बना रहता है, और इसके परमाणु ऐसे तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं जो सरल और गहन दोनों हैं। हीलियम को एक एक-आयामी रेखा में मजबूर करने के लिए, वैज्ञानिकों ने MCM-41 नामक एक विशेष प्रकार के कांच का उपयोग किया, जो लाखों छोटे, समानांतर सुरंगों से भरा हुआ है। हालाँकि, ये सुरंगें मूल रूप से इतनी चौड़ी थीं कि हीलियम को एक एकल रेखा के रूप में व्यवहार करने के लिए मजबूर नहीं किया जा सकता था। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले प्रत्येक सुरंग के अंदर आर्गन गैस की एक पतली परत लगाई। इस कोटिंग ने एक 'श्रिंक-रैप' (shrink-wrap) की तरह काम किया, जिससे सुरंगों को प्रभावी ढंग से संकुचित कर दिया गया जब तक कि वे हीलियम परमाणुओं की एक एकल पंक्ति रखने के लिए पर्याप्त चौड़ी नहीं हो गईं। तैयार होने के बाद, उन्होंने इन संकुचित सुरंगों को हीलियम से भरा और यह देखने के लिए कि परमाणु कैसे चलते हैं और ऊर्जा के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, न्यूट्रॉन की एक शक्तिशाली किरण का उपयोग किया।
प्रयोग इस बात पर केंद्रित था कि अधिक हीलियम जोड़ने पर क्या होता है। पिछले कंप्यूटर सिमुलेशन ने एक विशिष्ट परिदृश्य का सुझाव दिया था: जैसे-जैसे हीलियम जोड़ा जाता है, पहली कुछ परतें कांच की दीवारों से मजबूती से चिपक जाती हैं, जिससे ठोस छल्ले बनते हैं। इसके बाद कोई भी अतिरिक्त हीलियम सुरंग के बिल्कुल केंद्र में जमा हो जाएगा, जिससे एक तरल कोर बनेगा। प्रचलित विचार यह था कि जैसे-जैसे आप अधिक हीलियम जोड़ेंगे, यह केंद्रीय तरल कोर बस अधिक सघन (dense) होता जाएगा, जिसमें परमाणु एक-दूसरे के करीब पैक होंगे। शोधकर्ता उम्मीद कर रहे थे कि घनत्व बढ़ने के साथ तरल के गुणों में बदलाव आएगा। इसके विपरीत, उन्होंने पाया कि यह आश्चर्यजनक था। जैसे ही उन्होंने हीलियम की मात्रा को थोड़ी मात्रा से लेकर बहुत बड़ी मात्रा तक बढ़ाया, केंद्र में तरल की मौलिक प्रकृति में बिल्कुल भी बदलाव नहीं आया। तरल के माध्यम से चलने वाली तरंगों की गति और परमाणुओं के बीच की दूरी बिल्कुल समान रही, चाहे कितना भी हीलियम जोड़ा गया हो।
इस खोज ने टीम को तरल के निर्माण के बारे में एक अलग निष्कर्ष की ओर अग्रसर किया। एक एकल, समान तरल धारा के रूप में जो अधिक सघन होती जाती है, के बजाय, हीलियम सुरंगों के भीतर अलग-अलग, पृथक समूहों या खंडों के रूप में बनता प्रतीत होता है। जैसे-जैसे अधिक हीलियम जोड़ा जाता है, ये तरल खंड लंबे होते जाते हैं या खाली सुरंगों में नए खंड दिखाई देते हैं, लेकिन प्रत्येक खंड के भीतर तरल का घनत्व स्थिर रहता है। यह ऐसा है जैसे तरल एक लंबी गलियारे को कसकर भरने के बजाय, छोटे, असंबद्ध कमरों की एक श्रृंखला को भर रहा है। शोधकर्ताओं ने इसे गर्मी के प्रति तरल की प्रतिक्रिया को मापकर पुष्टि की। उन्होंने पाया कि इस तरल का अद्वितीय क्वांटम व्यवहार तब तक बना रहा जब तक कि तापमान बढ़ा, और यह केवल तभी समाप्त हुआ जब गर्मी इतनी प्रबल हो गई कि नाजुक क्वांटम व्यवस्था को बाधित कर सके।
अध्ययन ने इस एक-आयामी अवस्था को बाधित करने के लिए आवश्यक सटीक ऊर्जा का भी खुलासा किया। नमूने को गर्म करके और तरल से संकेत को फीका होते हुए देखकर, टीम ने गणना की कि क्वांटम व्यवस्था को तोड़ने के लिए परम शून्य (absolute zero) से 19 डिग्री ऊपर के बराबर ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह दिखाता है कि यह एक-आयामी अवस्था मजबूत है और उन तापमानों से कहीं अधिक ऊंचे तापमान पर अस्तित्व में रह सकती है जो हीलियम को उसके सामान्य, त्रि-आयामी रूप में सुपरफ्लुइड बनने के लिए आवश्यक होते हैं। तथ्य यह है कि कुल हीलियम बढ़ने के दौरान तरल की आंतरिक संरचना अपरिवर्तित रहती है, यह इस विचार को खारिज करता है कि यह एक सरल, निरंतर संपीड़ित होने वाला कोर है। इसके बजाय, साक्ष्य एक ऐसे मॉडल की ओर इशारा करते हैं जहाँ तरल विस्तार करता है, यानी उपलब्ध सुरंग स्थान को भरता है, बिना अपने आंतरिक चरित्र को बदले। यह कार्य एक ऐसी अवस्था की सीधी झलक प्रदान करता है जो सैद्धांतिक रूप से अनुमानित है लेकिन जिसे देखना कठिन है, यह पुष्टि करता है कि एक-आयामी क्वांटम तरलों को एक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में बनाया और अध्ययन किया जा सकता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इन तरल पदार्थों का व्यवहार एक स्थिर, स्थानीय घनत्व द्वारा नियंत्रित होता है जो परिवर्तन का विरोध करता है, जो यह बताता है कि क्वांटम प्रणालियाँ चरम सीमित परिस्थितियों (extreme confinement) के अनुकूल कैसे होती हैं।
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