Emergent chirality-dependent electromotive force in Weyl semimetals enabled by generalized unitary transformation

ठोस पदार्थों की छिपी हुई दुनिया में, इलेक्ट्रॉन हमेशा तार के माध्यम से लुढ़कने वाली छोटी, स्वतंत्र गोलियों की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। कभी-कभी, वे एक तरल की तरह कार्य करते हैं, जो उन तरीकों से चलते हैं जो उस सामग्री के आकार द्वारा निर्धारित होते हैं जिसमें वे निवास करते हैं। दशकों से, भौतिक विज्ञानी 'टोपोलॉजिकल सेमीमेटल्स' (topological semimetals) नामक सामग्रियों के एक विशेष वर्ग की खोज कर रहे हैं। ये वे पदार्थ हैं जहाँ आंतरिक संरचना इलेक्ट्रॉनों के लिए एक अनूठा परिदृश्य बनाती है, जो उन्हें अविश्वसनीय गति से यात्रा करने वाले द्रव्यमानहीन कणों की तरह चलने के लिए मजबूर करती है। इस परिदृश्य के भीतर, 'वेइल सेमीमेटल' (Weyl semimetal) के रूप में ज्ञात एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री विशिष्ट स्थान रखती है। यहाँ, इलेक्ट्रॉन एक ऐसे संबंध में बंधे होते हैं जहाँ उनकी यात्रा की दिशा उनकी आंतरिक स्पिन (spin) से अटूट रूप से जुड़ी होती है, जिसे एक छोटी, अंतर्निहित दिशा-सूचक सुई (compass needle) के रूप में समझा जा सकता है। यह लॉकिंग तंत्र (locking mechanism) का अर्थ है कि यदि एक इलेक्ट्रॉन आगे बढ़ता है, तो उसकी दिशा-सूचक सुई एक विशिष्ट दिशा में होती है, और यदि वह पीछे की ओर जाता है, तो सुई पलट जाती है। गति और स्पिन के बीच का यह संबंध केवल एक जिज्ञासा नहीं है; यह एक नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक्स की कुंजी है जो भविष्य में वर्तमान तकनीक की तुलना में बहुत कम ऊर्जा के साथ सूचना को प्रोसेस कर सकता है।

वैज्ञानिकों के लिए चुनौती इस संबंध का उपयोग करके चुंबकीय गति से बिजली उत्पन्न करना रही है। मानक चुंबकों में, यदि आप एक चुंबकीय दीवार—जो अलग-अलग चुंबकीय संरेखण वाले दो क्षेत्रों के बीच की सीमा है—को विद्युत धारा के पास से गुजारते हैं, तो यह इलेक्ट्रॉनों को धकेल सकती है और एक वोल्टेज बना सकती है। यह घटना, जिसे 'स्पिन-मोटिव फोर्स' (spin-motive force) कहा जाता है, एक ऐसे जनरेटर की तरह है जो घूमते हुए टरबाइन के बजाय चुंबकीय बनावट (magnetic textures) की गति पर चलता है। हालाँकि, वेइल सेमीमेटल के इस विलक्षण वातावरण में यह बल सटीक रूप से कैसे कार्य करता है, इसकी गणना करना एक बाधा रहा है। साधारण चुंबकों के लिए उपयोग किए जाने वाले गणितीय उपकरण यहाँ विफल हो जाते हैं क्योंकि वेइल सामग्रियों में इलेक्ट्रॉन अपनी गति (momentum) से इतने मजबूती से बंधे होते हैं कि चुंबकीय क्षेत्र का एक सरल घुमाव भी समस्या को सरल नहीं बनाता है। गणित की जटिलता ने शोधकर्ताओं को इन प्रणालियों से ऊर्जा निकालने या इनके भीतर इलेक्ट्रॉनों के अद्वितीय गुणों को मापने के तरीके को पूरी तरह से समझने से रोक रखा है।

अज़रबैजान शाहिद मदनी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया तरीका विकसित करके इस गणितीय बाधा को पार कर लिया है। उन्होंने इन इलेक्ट्रॉनों को नियंत्रित करने वाले जटिल समीकरणों को सरल बनाने का एक तरीका तैयार किया है बिना उनके आवश्यक भौतिक विज्ञान को खोए। कल्पना कीजिए कि आप एक विशिष्ट लूप को पहले ढीला करके और फिर अतिरिक्त धागे को काटकर मूल आकार देखने के लिए एक गाँठ को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं; टीम ने गणित के साथ यही किया। उन्होंने इलेक्ट्रॉनों का वर्णन करने वाले समीकरणों पर रूपांतरणों (transformations) की एक श्रृंखला लागू की, जिससे प्रभावी रूप से उन जटिल पार्श्व गतियों को हटा दिया गया जो दृश्य को बाधित कर रही थीं। इसने उन्हें सामग्री के सबस्ट्रेट (substrate) में चलती चुंबकीय दीवार और उसके ऊपर बहने वाले इलेक्ट्रॉनों के बीच के मुख्य संपर्क को अलग करने की अनुमति दी।

उनकी गणना एक आश्चर्यजनक नए नियम को प्रकट करती है: इस चलती चुंबकीय दीवार द्वारा उत्पन्न वोल्टेज पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनों की "हाथ की बनावट" (handedness/chirality) पर निर्भर करता है। इन सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉन दो प्रकार के होते हैं, जो इस बात से भिन्न होते हैं कि उनकी आंतरिक दिशा-सूचक सुई उनकी गति के सापेक्ष किस दिशा में संकेत करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि सामग्री में दोनों प्रकार के इलेक्ट्रॉनों का समान मिश्रण है, तो वे एक-दूसरे के वोल्टेज को रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कोई शुद्ध बिजली नहीं मिलती है। हालाँकि, यदि इसमें असंतुलन है—एक ऐसी स्थिति जहाँ एक प्रकार का इलेक्ट्रॉन दूसरे की तुलना में अधिक सामान्य है—तो एक मापने योग्य वोल्टेज उभरता है। इसका अर्थ है कि वेइल सेमीमेटल में स्पिन-मोटिव फोर्स इस असंतुलन, या जिसे वैज्ञानिक 'कायरालिटी पोलराइजेशन' (chirality polarization) कहते हैं, के लिए एक सीधा प्रोब (probe) के रूप में कार्य करता है।

यह अध्ययन दर्शाता है कि उत्पन्न वोल्टेज की शक्ति स्थिर नहीं है; यह इस बात पर निर्भर करती है कि चुंबकीय दीवार कितनी तेजी से चल रही है और वह कितनी चौड़ी है। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि इस प्रभाव को मजबूत और पता लगाने योग्य बनाने के लिए, चुंबकीय दीवार को पर्याप्त चिकना और चौड़ा होना चाहिए ताकि इलेक्ट्रॉन गुजरते समय धीरे-धीरे समायोजित हो सकें। यदि दीवार बहुत तीखी है या गति बहुत अचानक है, तो नाजुक क्वांटम संबंध टूट जाता है, और प्रभाव गायब हो जाता है। इसके अलावा, वोल्टेज दीवार की गति के सीधे आनुपातिक है, जो यह सुझाव देता है कि तेजी से चलने वाली चुंबकीय बनावट अधिक शक्तिशाली विद्युत संकेत उत्पन्न कर सकती है।

यह कार्य केवल एक सैद्धांतिक संभावना की व्याख्या नहीं करता है; यह इन सामग्रियों के छिपे हुए गुणों को मापने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है। चूँकि वोल्टेज केवल तभी दिखाई देता है जब इलेक्ट्रॉन प्रकारों में असंतुलन होता है, वैज्ञानिक अब इस प्रभाव का उपयोग वेइल सेमीमेटल्स में कायरालिटी पोलराइजेशन का पता लगाने और उसे मापने के लिए कर सकते हैं। यह एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि कायरालिटी पोलराइजेशन को अन्य विधियों से मापना कठिन है। निष्कर्ष बताते हैं कि चुंबकीय वातावरण और करंट के प्रवाह को नियंत्रित करके, शोधकर्ता संभावित रूप से नए प्रकार के सेंसर या ऊर्जा हार्वेस्टर बना सकते हैं जो इन सामग्रियों की अनूठी टोपोलॉजी पर निर्भर करते हैं। यह शोध पुष्टि करता है कि चुंबकीय गति और वेइल सेमीमेटल्स में इलेक्ट्रॉनों की लॉक की गई स्पिन के बीच का परस्पर प्रभाव एक विशिष्ट, कायरालिटी-निर्भर विद्युत बल बनाता है, जो एक ऐसे क्षेत्र में खिड़की खोलता है जहाँ सामग्री की ज्यामिति ऊर्जा के प्रवाह को निर्धारित करती है।