Influence of Cu2Te Doping on the Microstructure and Phase Formation Process of MgB2 Superconductor
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 2 wt% Cu₂Te के साथ MgB₂ को डोपिंग करने से एक यूटेक्टिक लिक्विड-असिस्टेड तंत्र के माध्यम से चरण निर्माण तापमान को कम करके और ग्रेन रिफाइनमेंट एवं प्रभावी फ्लक्स पिनिंग केंद्रों की शुरूआत के माध्यम से क्रिटिकल करंट डेंसिटी में सुधार करके सुपरकंडक्टिंग गुणों को बढ़ाया जाता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है, जैसे कि एक घर्षण रहित राजमार्ग पर फिसलती कार जिसे कभी ईंधन की आवश्यकता नहीं होती। यह सुपरकंडक्टर्स (अतिचालकों) का सपना है। दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो उन तापमानों पर यह काम कर सकें जिन्हें हम महंगे, भारी तरल हीलियम का उपयोग किए बिना वास्तव में प्राप्त कर सकते हैं। यहाँ मैग्नीशियम डिबोराइड (MgB₂) आता है, एक ऐसा पदार्थ जिसकी खोज 2001 में हुई थी और जो 39 केल्विन (लगभग -234°C) के "गर्म" तापमान पर एक सुपरकंडक्टर की तरह व्यवहार करता है। यह सस्ता है, सरल है, और शक्तिशाली चुंबकों और कुशल पावर ग्रिड जैसी चीजों के लिए बहुत अधिक संभावना रखता है।
हालाँकि, MgB₂ में एक बड़ी खामी है: यह थोड़ा अव्यवस्थित यात्री है। पदार्थ के भीतर, बिजली सुचारू रूप से नहीं बहती; यह छोटे दोषों पर फंस जाती है, और जब आप चुंबकीय क्षेत्र चालू करते हैं, तो इसकी धारा-वहन क्षमता गिर जाती है। इसे एक भीड़भाड़ वाले गलियारे की तरह समझें जहाँ लोग (बिजली) दौड़ने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन वे बार-बार बैगपैक (चुंबकीय क्षेत्रों) से टकराकर लड़खड़ाते हैं और एक-दूसरे से टकराते रहते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक पदार्थ को "डोप" करने की कोशिश करते हैं, जिसका अर्थ है गलियारे को व्यवस्थित करने या बेहतर रास्ते बनाने के लिए अन्य रसायनों की सूक्ष्म मात्रा मिलाना। लेकिन सही "सफाई दल" खोजना जो बड़े मलबे को बनाए बिना गंदगी को साफ कर सके, एक कठिन संतुलन कार्य है।
यहीं पर टियांजिन यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और यूनिवर्सिटी ऑफ क्वींसलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम कदम रखती है। उन्होंने एक नया सफाई दल आज़माने का निर्णय लिया: एक यौगिक जिसे Cu₂Te (कॉपर टेलुराइड) कहा जाता है। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह विशिष्ट सामग्री MgB₂ के बनने के तरीके को पुनर्गठित कर सकती है, जिससे पदार्थ अधिक सघन हो जाए और मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों में बिजली को थामे रखने में बेहतर हो जाए।
शोधकर्ताओं ने मैग्नीशियम, बोरॉन और Cu₂Te पाउडर को एक साथ मिलाया और उन्हें गर्म किया। उन्होंने पाया कि इस रेसिपी में एक दिलचस्प बदलाव आया। सामान्य तौर पर, MgB₂ बनाना एक बहुत उच्च तापमान पर केक पकाने जैसा है, जिससे अक्सर सामग्री वाष्पित हो जाती है या अंतिम उत्पाद में छेद (रिक्त स्थान) रह जाते हैं। लेकिन जब उन्होंने Cu₂Te मिलाया, तो कम तापमान पर कुछ जादुई हुआ। मिश्रण में मौजूद कॉपर और मैग्नीशियम जल्दी ही आपस में पिघल गए, जिससे लगभग 485°C पर एक छोटा, तेज़ गति वाला "तरल राजमार्ग" (एक यूटेक्टिक लिक्विड फेज) बन गया।
इस तरल राजमार्ग ने एक सुपर-फास्ट डिलीवरी ट्रक की तरह काम किया। मैग्नीशियम परमाणुओं को बोरॉन को खोजने के लिए ठोस पाउडर के माध्यम से धीरे-धीरे रेंगने की आवश्यकता होने के बजाय, वे इस तरल चैनल के माध्यम से तेज़ी से दौड़ सकते थे। इसने प्रतिक्रिया को तेज कर दिया, सामग्री को खुद को अधिक कसकर पैक करने में मदद की (सघनता), और मैग्नीशियम को वाष्पित होकर खाली स्थान छोड़ने से रोका। यह ऐसा था जैसे सामग्री एक धीमी, अव्यवस्थित निर्माण स्थल से बदलकर एक अत्यधिक कुशल, कम-तापमान वाली असेंबली लाइन में बदल गई हो।
लेकिन Cu₂Te ने केवल निर्माण में ही मदद नहीं की; इसने पीछे कुछ बहुत उपयोगी "फर्नीचर" भी छोड़ा। जैसे ही प्रतिक्रिया समाप्त हुई, मैग्नीशियम टेलुराइड (MgTe) और मैग्गीशियम कॉपर (MgCu₂) के नैनोकणों ने अत्यंत सूक्ष्म आकार में निर्माण किया। ये कण अविश्वसनीय रूप से छोटे थे, जिनका आकार 10 से 50 नैनोमीटर के बीच था। सुपरकंडक्टर्स की दुनिया में, यह आकार "कोहेरेंस लेंथ" (सह-संबंध लंबाई) के साथ एक सटीक मेल है, जो अनिवार्य रूप रूप से उन चुंबकीय "बैगपैक" का आकार है जो बिजली को रोकने की कोशिश करते हैं। ये नैनोकण छोटे, सटीक आकार के स्पीड बंप या एंकर की तरह काम करते थे जिन्होंने चुंबकीय क्षेत्रों को अपनी जगह पर जकड़ लिया, जिससे उन्हें करंट को पथ से भटकाने से रोका जा सका।
टीम ने सही स्तर खोजने के लिए अलग-अलग मात्रा में Cu₂Te का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि 2 वेट प्रतिशत (2 wt%) जोड़ना "गोल्डिलॉक्स ज़ोन" (सही संतुलन) था। इस स्तर पर, सामग्री अधिक सघन हो गई, इसके दाने (पदार्थ बनाने वाले छोटे क्रिस्टल) छोटे और बेहतर ढंग से जुड़े हुए थे, और इसकी धारा-वहन क्षमता शुद्ध MgB₂ की तुलना में लगभग 15% बढ़ गई। विशेष रूप से, 20 केल्विन के तापमान पर बिना चुंबकीय क्षेत्र के, धारा घनत्व 2.3×10⁵ A·cm⁻² तक पहुँच गया।
हालाँकि, शोधकर्ताओं ने यह भी सीखा कि "अधिक" हमेशा "बेहतर" नहीं होता है। जब उन्होंने बहुत अधिक Cu₂Te (10% या 20%) मिलाया, तो नैनोकणों ने बड़े, बदसूरत अवरोधों के रूप में गुच्छे बनाना शुरू कर दिया। मदद करने के बजाय, इन गुच्छों ने बिजली के रास्तों को काट दिया, जिससे प्रदर्शन गिर गया। यह गलियारे में बहुत अधिक स्पीड बंप लगाने जैसा था; अंततः, कोई चल भी नहीं पाएगा।
संक्षेप में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि Cu₂Te, MgB₂ सुपरकंडक्टर्स को सुधारने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, लेकिन केवल तभी जब इसका उपयोग सटीकता के साथ किया जाए। एक कम-तापमान वाले तरल चरण का निर्माण करके जो सामग्री को बनने में मदद करता है और चुंबकीय क्षेत्रों को रोकने के लिए सटीक आकार के नैनोकण छोड़ता है, शोधकर्ताओं ने इसे और अधिक मजबूत और कुशल बनाने का एक तरीका खोज निकाला है। उन्होंने केवल एक नया घटक नहीं खोजा; उन्होंने सामग्री को पकाने का एक नया तरीका भी खोजा जो उच्च-तापमान वाली बेकिंग की सामान्य समस्याओं से बचता है। हालांकि परिणाम आशाजनक हैं, अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि मददगार स्पीड बंप को सड़क अवरोध में बदलने से बचने के लिए डोपिंग की सटीक मात्रा का पता लगाना महत्वपूर्ण है।
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