क्वांटम भौतिकी में बड़ा ब्रेकथ्रू: असंभव मानी गई अवस्था का मटीरियल में हुआ खुलासा
एक ऐसे मटीरियल में पदार्थ की एक क्वांटम अवस्था सामने आई है, जहाँ भौतिकविदों को लगा था कि यह असंभव होगा, जिससे कुछ खास मटीरियल में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को नियंत्रित करने वाली स्थितियों पर फिर से सोचने पर मजबूर होना पड़ा है। इंटरनेशनल रिसर्चर्स की एक टीम द्वारा की गई यह खोज क्वांटम कंप्यूटिंग में प्रगति, इलेक्ट्रॉनिक दक्षता में सुधार और बेहतर सेंसिंग और इमेजिंग में मदद कर सकती है। इस अवस्था, जिसे टोपोलॉजिकल सेमीमेटल फेज़ के रूप में बताया गया है, के बारे में सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की गई थी कि यह सेरियम, रूथेनियम और टिन (CeRu4Sn6) से बने मटीरियल में कम तापमान पर दिखाई देगी, इससे पहले कि प्रयोगों ने इसके अस्तित्व की पुष्टि की।
बहुत कम तापमान पर, CeRu4Sn6 क्वांटम क्रिटिकैलिटी तक पहुँचता है, एक ऐसा बिंदु जहाँ एक मटीरियल अपने फेज़ में बदलाव के बीच डगमगाता है, जहाँ स्थितियाँ इतनी ठंडी होती हैं कि क्वांटम उतार-चढ़ाव हावी हो जाते हैं, जिससे मटीरियल प्रभावी रूप से कणों के कोहरे के बजाय तरंगों के पोखर में बदल जाता है। इस अध्ययन में ट्विस्ट यह है कि क्वांटम क्रिटिकैलिटी ऐसी अवस्थाओं को जन्म दे सकती है जिनके बारे में माना जाता है कि वे कणों के बीच इंटरैक्शन द्वारा परिभाषित होती हैं, जैसे कि अलग-अलग चार्ज कैरियर के रूप में इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार। अमेरिका में राइस यूनिवर्सिटी के भौतिक विज्ञानी किमियाओ सी कहते हैं, “यह एक मौलिक कदम आगे है।” “हमारा काम दिखाता है कि शक्तिशाली क्वांटम प्रभाव मिलकर कुछ पूरी तरह से नया बना सकते हैं, जो क्वांटम विज्ञान के भविष्य को आकार देने में मदद कर सकता है।”
भौतिकी में, टोपोलॉजी मटीरियल संरचनाओं की ज्यामिति को संदर्भित करती है। विशेष टोपोलॉजिकल अवस्थाएँ कणों के गुणों की रक्षा कर सकती हैं, उस तरीके के विपरीत जिस तरह पड़ोसी कण एक-दूसरे के व्यवहार को धक्का दे सकते हैं और बाधित कर सकते हैं। टोपोलॉजिकल अवस्थाओं को समझने के लिए आमतौर पर गुणों को कण-जैसी नक्शों में एक साथ जोड़ने की आवश्यकता होती है, कुछ ऐसा जिसके बारे में माना जाता है कि क्वांटम क्रिटिकैलिटी के तहत किसी मटीरियल में नहीं होता है। क्वांटम क्रिटिकैलिटी और टोपोलॉजी दोनों अलग-अलग कारणों से मटीरियल में उपयोगी हैं। इन दोनों के संयोजन से मजबूत संवेदनशीलता और विश्वसनीय स्थिरता वाले क्वांटम प्रतिक्रियाओं के साथ मटीरियल का एक नया वर्ग मिल सकता है। जब शोधकर्ताओं ने CeRu4Sn6 को पूर्ण शून्य के करीब ठंडा किया और एक इलेक्ट्रिक चार्ज लगाया, तो उन्होंने मटीरियल के माध्यम से करंट ले जाने वाले इलेक्ट्रॉनों में हॉल प्रभाव के रूप में जानी जाने वाली घटना देखी। असल में, करंट बग़ल में मुड़ गया।
शोधकर्ताओं के अनुसार, यह टोपोलॉजिकल प्रभावों का एक स्पष्ट संकेत था। हॉल प्रभाव के लिए आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों को विक्षेपित करने के लिए एक चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है, लेकिन इस मामले में कोई चुंबकीय क्षेत्र मौजूद नहीं था। इसके बजाय, करंट का रास्ता मटीरियल में निहित किसी चीज़ द्वारा आकार दिया जा रहा था। वियना यूनिवर्सिटी ऑफ़ टेक्नोलॉजी के भौतिक विज्ञानी सिल्के बुहलर-पास्चेन कहते हैं, “यह मुख्य अंतर्दृष्टि थी जिसने हमें बिना किसी संदेह के यह प्रदर्शित करने की अनुमति दी कि प्रचलित दृष्टिकोण को संशोधित किया जाना चाहिए।” यही नहीं, वैज्ञानिकों ने पाया कि जहाँ मटेरियल अपने इलेक्ट्रॉन पैटर्न के मामले में सबसे ज़्यादा अस्थिर था, वहीं टोपोलॉजिकल इफ़ेक्ट सबसे मज़बूत था; क्वांटम क्रिटिकल उतार-चढ़ाव ने असल में नए खोजे गए फेज़ को स्टेबल किया। अभी बहुत काम करना बाकी है। रिसर्चर यह देखना चाहते हैं कि क्या यह क्वांटम स्टेट दूसरे मटीरियल में भी मिल सकता है, ताकि यह पता चल सके कि यह कितना आम है।
वे यहां देखी गई टोपोलॉजी और इसे संभव बनाने के लिए ज़रूरी सटीक स्थितियों पर भी करीब से नज़र डालना चाहते हैं। सी कहते हैं, “ये नतीजे कंडेंस्ड मैटर फिजिक्स में एक कमी को पूरा करते हैं, यह दिखाते हुए कि मज़बूत इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन टोपोलॉजिकल स्टेट्स को खत्म करने के बजाय उन्हें जन्म दे सकते हैं।” “इसके अलावा, वे एक नई क्वांटम स्टेट का खुलासा करते हैं जिसका काफी प्रैक्टिकल महत्व है।” वह आगे कहते हैं, “यह जानना कि क्या खोजना है, हमें इस घटना को और ज़्यादा सिस्टमैटिक तरीके से एक्सप्लोर करने में मदद करता है।” “यह सिर्फ़ एक थ्योरेटिकल समझ नहीं है, यह ऐसी असली टेक्नोलॉजी डेवलप करने की दिशा में एक कदम है जो क्वांटम फिजिक्स के सबसे गहरे सिद्धांतों का इस्तेमाल करती है।” यह रिसर्च नेचर फिजिक्स में पब्लिश हुई है।
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