Bulk Superconductivity driven by Disorder-Induced Delocalization
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि असामान्य सामग्री 4Hb-TaS2 में बल्क सुपरकंडक्टिविटी (bulk superconductivity), विकार-प्रेरित डेलोकलाइजेशन (disorder-induced delocalization) द्वारा संचालित होती है, जो एक फ्लैट बैंड में फर्मी सतह संक्रमण (Fermi surface transition) को सक्रिय करती है जो उच्च क्रिटिकल तापमान के उद्भव के साथ मेल खाता है।
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पदार्थ विज्ञान की दुनिया में, एक लंबे समय से चली आ रही धारणा है कि विकार (disorder) व्यवस्था (order) का शत्रु है। जब वैज्ञानिक अध्ययन करते हैं कि ठोस पदार्थों के माध्यम से बिजली कैसे चलती है, तो वे आम तौर पर यह मान लेते हैं कि एक पूरी तरह से स्वच्छ, एकसमान क्रिस्टल इलेक्ट्रॉनों के मुक्त प्रवाह के लिए सबसे अच्छा वातावरण है। यदि आप अशुद्धियाँ या दोष पेश करते हैं—जैसे कि एक परमाणु को थोड़े अलग आकार के दूसरे परमाणु से बदलना—तो इलेक्ट्रॉन बिखरने लगते हैं, अपनी लय खो देते हैं और अंततः चलना बंद कर देते हैं। यह घटना, जिसे लोकलाइजेशन (localization) कहा जाता है, आमतौर पर एक धातु को कुचालक (insulator) में बदल देती है। हालाँकि, असामान्य अतिचालक (unconventional superconductors) नामक पदार्थों का एक विशिष्ट वर्ग दशकों से शोधकर्ताओं को उलझाए हुए है। ये वे पदार्थ हैं जो बहुत कम तापमान पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन कर सकते हैं, लेकिन वे अक्सर तभी दिखाई देते हैं जब पदार्थ को किसी अवस्था परिवर्तन (phase change) के किनारे पर धकेला जा रहा हो, कभी-कभी ठीक वहीं जहाँ विकार मौजूद होता है। बड़ा सवाल यह था कि क्या यह विकार केवल एक बाधा है जो अतिचालकता (superconductivity) के साथ सह-अस्तित्व में है, या क्या यह इसे बनाने में एक सक्रिय, आवश्यक भूमिका निभाता है।
कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के जेम्स एनालिटिस के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम और कई अन्य संस्थानों के सहयोगियों ने 4Hb-TaS2 नामक पदार्थ का अध्ययन करके इस प्रश्न का एक चौंकाने वाला उत्तर दिया है। यह पदार्थ अद्वितीय है क्योंकि यह एक परतदार सैंडविच की तरह बना है, जिसमें दो अलग-अलग प्रकार की परमाणु परतों के बीच बारी-बारी से बदलाव होता है। एक प्रकार की परत, जिसे H-परत कहा जाता है, एक धातु है जहाँ इलेक्ट्रॉन आसानी से बहते हैं। दूसरी प्रकार की परत, जिसे T-परlet कहा जाता है, एक कुचालक की तरह कार्य करती है, जो इलेक्ट्रॉनों को उनके बीच के मजबूत अंतःक्रियाओं के कारण एक स्थान पर कैद कर लेती है। अपने शुद्धतम, सबसे पूर्ण रूप में, यह पदार्थ बहुत कम अतिचालकता प्रदर्शित करता है। शोधकर्ताओं ने खोजा कि इस प्रणाली में बल्क अतिचालकता (bulk superconductivity) को अनलॉक करने की कुंजी इसे अधिक स्वच्छ बनाना नहीं, बल्कि इसे थोड़ा अस्त-व्यस्त बनाना है। सल्फर परमाणुओं के स्थान पर जानबूझकर थोड़ी मात्रा में विकार पेश करके, वे कुचालक परतों में फंसे इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने में सक्षम हुए, जिससे वे प्रवाह में शामिल हो सके और एक ऐसी स्थिति बना सके जहाँ पूरा पदार्थ बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करता है।
टीम ने 4Hb-TaS2 पर ध्यान केंद्रित किया क्योंकि इसकी संरचना स्वाभाविक रूप से एक मोट इंसुलेटर (Mott insulator), जहाँ इलेक्ट्रॉन फंसे होते हैं, और एक धातु, जहाँ वे स्वतंत्र रूप से चलते हैं, के गुणों को जोड़ती है। इस पदार्थ के शुद्ध संस्करण में, कुचालक परतें हठपूर्वक कुचालक बनी रहती हैं, और अतिचालकता कमजोर होती है, जो नमूने के आयतन के एक प्रतिशत से भी कम में दिखाई देती है। विकार की भूमिका का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इस पदार्थ के क्रिस्टल तैयार किए और सल्फर परमाणुओं के एक छोटे से हिस्से को सेलेनियम परमाणुओं से बदल दिया। सेलेनियम रासायनिक रूप से सल्फर के समान है लेकिन इसका आकार थोड़ा अलग है, जो समग्र इलेक्ट्रॉन संख्या को बदले बिना क्रिस्टल लैटिस में एक स्थानीय विरूपण (distortion) पैदा करता है। उन्होंने शून्य, एक चौथाई प्रतिशत और एक प्रतिशत सेलेनियम प्रतिस्थापन वाले नमूने तैयार किए।
परिणाम विरोधाभासी थे। जबकि सेलेनियम जोड़ने से विद्युत प्रतिरोध बढ़ गया, जैसा कि अशुद्धियाँ जोड़ने से अपेक्षित है, इसने उस पदार्थ के आयतन को नाटकीय रूप से बढ़ा दिया जो अतिचालक बन गया। शुद्ध नमूने में, अतिचालकता मुश्किल से पता लगाने योग्य थी। लेकिन केवल एक चौथाई प्रतिशत सेलेनियम वाले नमूने में, अतिचालक आयतन उछलकर लगभग अस्सी प्रतिशत हो गया। यह सुझाव देता है कि विकार ने अतिचालक अवस्था को नष्ट नहीं किया; इसके बजाय, यह वह उत्प्रेरक था जिसने अतिचालकता को पूरे क्रिस्टल में फैलने की अनुमति दी। शोधकर्ताओं ने इन नमूनों के चुंबकीय गुणों और विद्युत व्यवहार को मापा और पाया कि विकार के प्रवेश ने इलेक्ट्रॉनों के व्यवस्थित होने के तरीके में एक मौलिक बदलाव किया।
पदार्थ के भीतर क्या हो रहा था, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों ने एंगल-रिज़ॉल्व्ड फोटोइमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (angle-resolved photoemission spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो उन्हें क्रिस्टल की सतह पर इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा और संवेग (momentum) को मैप करने की अनुमति देती है। शुद्ध नमूने में, उन्होंने पाया कि कुचालक T-परत कुचालक बनी रही, जिसमें उसके इलेक्ट्रॉन एक सपाट ऊर्जा बैंड में फंसे थे जहाँ वे चल नहीं सकते थे। हालाँकि, सेलेनियम वाले नमूनों में, T-परत पर नए धात्विक अवस्थाओं (metallic states) का एक सेट दिखाई दिया। विकार ने फंसे हुए इलेक्ट्रॉनों को मुक्त होकर गतिशील बनने के लिए मजबूर किया, जिससे प्रभावी रूप से कुचालक परत एक धातु में बदल गई। यह संक्रमण केवल एक मामूली परिवर्तन नहीं था; यह इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य के पूर्ण पुनर्गठन का प्रतिनिधित्व करता था, जिससे इलेक्ट्रॉनों के यात्रा करने के लिए एक नया सतह तैयार हुई।
शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत परमाणुओं की छवि बनाने वाले स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करके परमाणु स्तर पर पदार्थ का परीक्षण भी किया। उन्होंने उन क्षेत्रों का अध्ययन किया जहाँ क्रिस्टल संरचना पूर्ण थी और उन क्षेत्रों का जहाँ मामूली घुमाव या दोष थे। उन्होंने पाया कि अतिचालकता केवल उन्हीं क्षेत्रों में प्रकट हुई जहाँ परमाणु परतें मुड़ी हुई या विकृत थीं। पूर्णतः व्यवस्थित क्षेत्रों में, सुपरकंडक्टिंग गैप (superconducting gap)—जो अतिचालक अवस्था का एक संकेत है—या तो अनुपस्थित था या बहुत कमजोर था। इस प्रत्यक्ष अवलोकन ने पुष्टि की कि विकार की उपस्थिति केवल एक दुष्प्रभाव नहीं थी, बल्कि इस विशिष्ट पदार्थ में अतिचालकता के उभरने के लिए एक आवश्यक शर्त थी। विकार ऐसा प्रतीत होता है कि वह कठोर, कुचालक अवस्था को अस्थिर कर देता है, जिससे इलेक्ट्रॉन पड़ोसी H-परत के गतिशील इलेक्ट्रॉनों के साथ संकरण (hybridize) करने में सक्षम होते हैं।
यह अध्ययन इस पारंपरिक दृष्टिकोण को चुनौती देता है कि विकार हमेशा इलेक्ट्रॉनिक व्यवस्था को नुकसान पहुँचाता है। इस मामले में, कुचालक T-परत इतनी नाजुक थी कि संरचनात्मक विरूपण की थोड़ी सी मात्रा भी संतुलन को बिगाड़ने और इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने और उन्हें अतिचालकता में भाग लेने की अनुमति देने के लिए पर्याप्त थी। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि सेलेनियम परमाणु स्थानीय विरूपण पैदा करते हैं जो इस बात को बदलते हैं कि परतें एक-दूसरे के विरुद्ध कैसे व्यवस्थित होती हैं, जो बदले में इलेक्ट्रॉनिक अंतःक्रियाओं को बदल देता है। यह प्रक्रिया इलेक्ट्रॉनों को उन बलों पर विजय पाने की अनुमति देती है जो उन्हें स्थानीयकृत (localized) रख रहे थे। हालाँकि विशिष्ट तंत्र एक पदार्थ से दूसरे पदार्थ में भिन्न हो सकता है, लेकिन यह निष्कर्ष बताता है कि जिन प्रणालियों में इलेक्ट्रॉन फंसने की कगार पर होते हैं, वहाँ थोड़ा सा विकार उनकी गतिशीलता को अनलॉक करने की कुंजी हो सकता है।
यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि यह सभी असामान्य अतिचालकों के रहस्य को सुलझाता है, लेकिन यह इस बात का एक स्पष्ट उदाहरण प्रदान करता है कि कैसे विकार एक पदार्थ को स्थानीयकृत अवस्था से विस्थानीकृत (delocalized) अवस्था की ओर ले जाकर अतिचालकता को सक्षम कर सकता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह प्रभाव प्रकृति में पहले की तुलना में अधिक सामान्य होने की संभावना है, विशेष रूप से उन पदार्थों में जहाँ फ्लैट बैंड और मजबूत इलेक्ट्रॉन अंतःक्रियाएं मौजूद हैं। यह दिखाकर कि एक छोटी सी अशुद्धि लगभग कुचालक पदार्थ को एक मजबूत अतिचालक में बदल सकती है, यह अध्ययन भविष्य की प्रौद्योगिकियों के लिए पदार्थों को इंजीनियर करने के बारे में एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है। मुख्य बात यह है कि क्वांटम दुनिया में, व्यवस्था और अराजकता (chaos) के बीच की रेखा हमेशा एक बाधा नहीं होती है; कभी-कभी, थोड़ा सा अराजक होना ही सिस्टम को काम करने के लिए बिल्कुल सही होता है।
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