Emergent unconventional superconductivity in an aged α-Sn thin film

सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया की कल्पना एक विशाल, हलचल भरी रसोई के रूप में करें जहाँ वैज्ञानिक लगातार नए पदार्थ की अवस्थाओं को "पकाने" की कोशिश कर रहे हैं। मेनू में सबसे रोमांचक व्यंजनों में से एक है "सुपरकंडक्टिविटी" (superconductivity), जो एक जादुई अवस्था है जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है, जैसे कोई भूत दीवार के आर-पार बिना टकराए निकल जाता है। आमतौर पर, यह बहुत ठंडी, विलक्षण सामग्रियों में होता है। लेकिन वैज्ञानिक एक विशिष्ट, और भी अधिक जादुई संस्करण की तलाश कर रहे हैं जिसे "टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी" (topological superconductivity) कहा जाता है। इसे ऐसी सुपरकंडक्टिविटी के रूप में सोचें जो सामग्री की आंतरिक ज्यामिति द्वारा "सुरक्षित" होती है, जिससे यह अविश्वसनीय रूप से मजबूत और भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर बनाने के लिए आदर्श बन जाती है जो आसानी से क्रैश नहीं होंगे। इसे खोजने के लिए, शोधकर्ता अक्सर "टोपोलॉजिकल सामग्रियों" की तलाश करते हैं, जो इलेक्ट्रॉनिक राजमार्गों की तरह होती हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन केवल एक दिशा में ही चल सकते हैं, जिससे उन्हें रोकना बहुत कठिन हो जाता है। आज की कहानी का सितारा $\alpha$-Sn नामक टिन (Sn) है। यह थोड़ा आकार बदलने वाले (shape-shifter) जैसा है; सही परिस्थितियों में, यह एक ज़ीरो-गैप सेमीकंडक्टर या एक "डिराक सेमीमेटल" (Dirac semimetal) के रूप में कार्य कर सकता है, एक ऐसी अवस्था जहाँ इलेक्ट्रॉन ऐसे व्यवहार करते हैं जैसे उनका कोई द्रव्यमान (mass) ही न हो। बड़ा सवाल यह रहा है: क्या हम इस विशिष्ट, आकार बदलने वाले टिन को बिना किसी अन्य सामग्री से चिपकाए, अपने आप सुपरकंडक्टिंग बना सकते हैं?

आज की इस खोज का चौंकाने वाला मोड़ टोक्यो विश्वविद्यालय और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं के एक नए अध्ययन से आता है: उन्होंने पाया कि यदि आप इस विशेष टिन की एक बहुत पतली परत को लंबे समय तक अकेला छोड़ देते हैं, तो यह जाग उठती है और अपने आप सुपरकंडक्टिंग होने लगती है। उन्होंने इंडियम एंटीमोनाइड (InSb) के क्रिस्टल पर $\alpha$-Sn की एक अत्यंत पतली, 5-नैनोमीटर मोटी परत विकसित की और फिर प्रतीक्षा की। छह महीनों तक, वह फिल्म एक सामान्य सेमीकंडक्टर की तरह व्यवहार करती रही, जो ठंडा होने पर बिजली के प्रवाह का विरोध करती रही। लेकिन बीस महीनों के बाद, कुछ जादुई हुआ। उसी फिल्म ने 4.2 केल्विन (एक ऐसा तापमान जो अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडा है) से नीचे अपना विद्युत प्रतिरोध अचानक शून्य कर दिया। यह केवल एक इत्तेफाक नहीं था; टीम ने साबित किया कि टिन अपनी क्रिस्टल संरचना बदलकर टिन के एक अधिक सामान्य रूप (जिसे $\beta$-Sn कहा जाता है) में नहीं बदला, जो आमतौर पर सुपरकंडक्टिंग होता है। उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे स्कैन का उपयोग करके पुष्टि की कि टिन ने अपनी मूल डायमंड-नुमा संरचना को पूरे समय बनाए रखा। इसका मतलब है कि सुपरकंडक्टिविटी "अंतर्निहित" (intrinsic) है, जो संरचनात्मक परिवर्तन के बजाय स्वयं उम्र बढ़ने (aging) की प्रक्रिया से पैदा हुई है।

यह खोज वास्तव में कितनी अद्भुत है, यह इस बात से पता चलता है कि यह कैसे सुपरकंडक्ट करता है। आमतौर पर, यदि आप एक सुपरकंडक्टर के विरुद्ध एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लगाते हैं, तो यह जादू को तोड़ देता है और संचालन को रोक देता है। लेकिन यह पुरानी हुई टिन की फिल्म एक विद्रोही है। जब शोधकर्ताओं ने फिल्म के समानांतर एक चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो इसने 11 टेस्ला तक के क्षेत्र का सामना किया। इसे समझने के लिए, अधिकांश सुपरकंडक्टर्स की सैद्धांतिक सीमा (जिसे "पॉली लिमिट" कहा जाता है) लगभग 7.8 टेस्ला है। इस फिल्म ने इस सीमा को बहुत बड़े अंतर से तोड़ दिया, और एक "टाइप-II आइसिंग सुपरकंडक्टर" (Type-II Ising superconductor) की तरह व्यवहार किया, जो एक दुर्लभ अवस्था है जो आमतौर पर केवल अत्यंत पतली, द्वि-आयामी सामग्रियों में देखी जाती है। इससे भी अधिक अजीब बात यह थी कि यह चुंबकीय क्षेत्र जिसे सहन कर सकता था, उसकी ताकत कोण के आधार पर बदल गई, जो एक विशिष्ट "दोहरा" (twofold) पैटर्न दिखाती थी। यह तब सबसे मजबूत था जब क्षेत्र एक विशिष्ट दिशा की ओर इशारा कर रहा था और दूसरे में कमजोर था, जिससे पता चलता है कि इसके अंदर के इलेक्ट्रॉन एक बहुत ही विशिष्ट, एनिसोट्रोपिक (anisotropic) लय पर नाच रहे हैं।

यह समझने के लिए कि अंदर क्या हो रहा था, टीम ने "शूबनिकोव-डी हास ऑसिलेशन" (Shubnikov–de Haas oscillations) नामक एक तकनीक का उपयोग किया जो "क्वांटम लहरें" पैदा करती है। "युवा" छह महीने पुरानी फिल्म में, उन्होंने एक प्रकार की इलेक्ट्रॉन तरंग देखी। लेकिन "पुरानी" बीस महीने की फिल्म में, अचानक एक नई, भारी और सुपर-फास्ट इलेक्ट्रॉन बैंड प्रकट हुई। यह नया बैंड ही इस कहानी का नायक है; इसमें उच्च गतिशीलता (mobility) है और इसका द्रव्यमान सुपरकconducting क्षेत्र के आकार से पूरी तरह मेल खाता है। शोधकर्ताओं को संदेह है कि उन बीस महीनों के दौरान, निचली परत से इंडियम परमाणुओं की सूक्ष्म मात्रा धीरे-धीरे टिन की परत में चली गई, जो एक धीमी-ड्रिप सीजनिंग (slow-drip seasoning) की तरह काम कर रही थी जिसने इलेक्ट्रॉनिक संरचना को ठीक इतना बदल दिया कि इस सुपरकंडक्टिंग अवस्था को सक्रिय कर दिया। उन्होंने इस परीक्षण के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए, और उनके परिणामों ने सुझाव दिया कि यदि इंडियम परमाणु टिन के क्रिस्टल लैटिस में घुसपैठ करते हैं, तो वे वास्तव में इस नए, भारी इलेक्ट्रॉन बैंड को बना सकते हैं और सामग्री को एक टोपोलॉजिकल अवस्था में बदल सकते हैं।

तो, इसका क्या अर्थ है? यह पेपर सुझाव देता है कि $\alpha$-Sn टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी के लिए एक आशाजनक नया मैदान है। यह दिखाता है कि इन विलक्षण अवस्थाओं को प्राप्त करने के लिए आपको हमेशा जटिल, कृत्रिम संरचनाओं की आवश्यकता नहीं होती है; कभी-कभी, आपको बस धैर्य रखने और प्रकृति को उसके धीमे, उम्र बढ़ने के काम करने देने की आवश्यकता होती है। हालांकि इंडियम परमाणुओं ने इलेक्ट्रॉनों को कैसे पुनर्व्यवस्थित किया, इसकी सटीक रेसिपी अभी भी समझी जा रही है (लेखक सुझाव देते हैं कि यह संभवतः इस धीमी प्रसार/डिफ्यूजन के कारण है), यह खोज एक द्वार खोलती है। यह संकेत देता है कि हम सरल, मौलिक सामग्रियों में केवल उन्हें पुराना होने देकर मजबूत, टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर्स बना सकते हैं, जो भविष्य में अधिक स्थिर और आसानी से बनाए जाने वाले क्वांटम उपकरणों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त कर सकता है।