सार:
चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, चीनी विज्ञान अकादमी, शंघाई जिओ टोंग विश्वविद्यालय, एमआईटी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं ने एक नई सुपरकंडक्टिंग अनुसंधान प्रगति की है। उन्होंने मूल रूप से बेहद कमजोर क्वांटम वैक्यूम उतार-चढ़ाव को कृत्रिम रूप से बढ़ाने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए टेराहर्ट्ज़ "डार्क कैविटी" का उपयोग किया, और पहली बार प्रयोगात्मक रूप से देखा कि यह वैक्यूम उतार-चढ़ाव सुपरकंडक्टिंग गुणों को बढ़ा सकता है। शोध के परिणाम बताते हैं कि कुछ शर्तों के तहत, छह-परत-मोटी नाइओबियम डिसेलेनाइड (NbSe₂) डिवाइस के सुपरकंडक्टिंग महत्वपूर्ण तापमान को 5.4% तक बढ़ाया जा सकता है, जबकि महत्वपूर्ण वर्तमान और महत्वपूर्ण चुंबकीय क्षेत्र में भी काफी वृद्धि होती है।
यह शोध चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के ज़ेंग चांगगन और चेंग गुआंगहुई की टीम और शंघाई जिओ टोंग विश्वविद्यालय के जियांग क़िंगडोंग की टीम द्वारा पूरा किया गया था। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिक विज्ञानी और भौतिकी में नोबेल पुरस्कार विजेता फ्रैंक विल्ज़ेक जैसे शोधकर्ताओं ने भी भाग लिया। प्रासंगिक पेपर "नेचर" पत्रिका में प्रकाशित हुआ है।
शास्त्रीय भौतिकी की अवधारणा में, निर्वात को आमतौर पर बिना पदार्थ के एक स्थान माना जाता है, लेकिन क्वांटम यांत्रिकी एक पूरी तरह से अलग उत्तर देता है। क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स और हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, सबसे कम ऊर्जा अवस्था में भी, अंतरिक्ष में अभी भी क्वांटम उतार-चढ़ाव होते हैं जिन्हें पूरी तरह से समाप्त नहीं किया जा सकता है। आभासी कणों का उत्पादन और विनाश जारी रहेगा, ताकि तथाकथित "कुछ भी नहीं" वास्तव में हमेशा सूक्ष्म गतिविधि की स्थिति में रहे।
क्वांटम वैक्यूम उतार-चढ़ाव पूरी तरह से सैद्धांतिक अवधारणा नहीं है। इसके अस्तित्व को लैम्ब शिफ्ट, स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन और कासिमिर प्रभाव जैसी प्रायोगिक घटनाओं के माध्यम से सत्यापित किया गया है। हालाँकि, सामान्य परिस्थितियों में, वैक्यूम उतार-चढ़ाव का प्रभाव आमतौर पर बहुत कमजोर होता है, और मैक्रोस्केल पर संघनित पदार्थ को सीधे प्रभावित करना मुश्किल होता है।
अनुसंधान टीम पहले से ही इस बात की खोज कर रही है कि इस क्वांटम वैक्यूम उतार-चढ़ाव को कैसे नियंत्रित किया जाए। ज़ेंग चांगगन और चेंग गुआंगहुई की टीम ने पहले कासिमिर बल को विपरीत रूप से समायोजित करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किया था, जिससे यह आकर्षक और प्रतिकारक बलों के बीच स्विच कर सके। यह कार्य आगे सवाल उठाता है: यदि वैक्यूम उतार-चढ़ाव को सक्रिय रूप से हेरफेर किया जा सकता है, तो क्या इस कमजोर क्वांटम प्रभाव का उपयोग मैक्रोस्कोपिक क्वांटम राज्यों को नियंत्रित करने के लिए भी किया जा सकता है?
उसी समय, जियांग क्विंगडोंग की टीम ने अध्ययन किया कि सैद्धांतिक दृष्टिकोण से क्वांटम वैक्यूम पदार्थ की स्थिति को कैसे प्रभावित करता है, और "वैक्यूम्रोनिक्स" की अवधारणा का प्रस्ताव रखा, जो कृत्रिम रूप से वैक्यूम वातावरण को डिजाइन करके इलेक्ट्रॉनों और फोटॉन के व्यवहार को विनियमित करना है। यह अतिचालक प्रयोग इस सैद्धांतिक विचार के लिए नया प्रयोगात्मक आधार प्रदान करता है।
शोधकर्ताओं का कहना है कि सामान्य मुक्त स्थान में वैक्यूम उतार-चढ़ाव आमतौर पर मैक्रोस्कोपिक संघनित पदार्थ प्रणालियों पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालने के लिए बहुत कमजोर होते हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, उन्होंने एक टेराहर्ट्ज़ स्प्लिट-रिंग रेज़ोनेटर, एक तथाकथित "डार्क कैविटी" डिज़ाइन किया। यह विशेष गुहा आसपास के विद्युत चुम्बकीय वातावरण को बदल सकती है और वैक्यूम उतार-चढ़ाव को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकती है।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने सुपरकंडक्टिंग सामग्री NbSe₂ को टेराहर्ट्ज़ डार्क कैविटी के अंदर रखा, सुपरकंडक्टर को डार्क कैविटी से जोड़ने वाले एक उपकरण का निर्माण किया, और इसकी तुलना कैविटी के बाहर समान सामग्रियों से की। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि अंधेरे गुहा में प्रवेश करने के बाद, NbSe₂ का अतिचालक महत्वपूर्ण तापमान काफी बढ़ जाता है। छह-परत NbSe₂ डिवाइस में, महत्वपूर्ण तापमान 5.4% तक बढ़ गया। साथ ही, सुपरकंडक्टिंग ट्रांज़िशन के पास क्रिटिकल करंट और क्रिटिकल चुंबकीय क्षेत्र भी काफी बढ़ गया।
सुपरकंडक्टिंग सामग्री के प्रदर्शन का आकलन करने के लिए सुपरकंडक्टिंग महत्वपूर्ण तापमान एक महत्वपूर्ण संकेतक है। केवल जब सामग्री का तापमान इस महत्वपूर्ण मूल्य से नीचे आता है तो वह अतिचालक अवस्था में प्रवेश कर सकता है। क्रांतिक तापमान में वृद्धि का मतलब है कि सामग्री उच्च तापमान पर अतिचालक रह सकती है, जबकि क्रांतिक धारा और क्रांतिक चुंबकीय क्षेत्र में वृद्धि का मतलब है कि अतिचालक अवस्था बड़ी धाराओं और चुंबकीय क्षेत्र का सामना कर सकती है।
यह पुष्टि करने के लिए कि यह वृद्धि अन्य सामान्य भौतिक कारकों के कारण नहीं थी, शोधकर्ताओं ने बड़ी संख्या में नियंत्रित प्रयोग किए। उन्होंने सामग्री की मोटाई, ढांकता हुआ सामग्री और धातु पट्टी संरचना जैसे मापदंडों को बदलते हुए, अंधेरे गुहा की ज्यामिति और विशेषता आवृत्ति को व्यवस्थित रूप से बदल दिया। प्रायोगिक परिणाम मुख्य कारणों के रूप में तनाव, सामग्री क्षरण, सामग्री अमानवीयता और धातु परिरक्षण जैसे कारकों को खारिज करते हैं।
सबसे महत्वपूर्ण साक्ष्य अंधेरे गुहा की विशिष्ट आवृत्ति में परिवर्तन से आता है। जब शोधकर्ताओं ने अंधेरे गुहा की विशेषता आवृत्ति को बदल दिया, तो सुपरकंडक्टिंग वृद्धि प्रभाव केवल आवृत्ति के साथ नहीं बदला, बल्कि एक स्पष्ट शिखर दिखा। जब गुहा की विशेषता आवृत्ति एक विशिष्ट सीमा तक पहुंच जाती है, तो सुपरकंडक्टिंग प्रदर्शन सबसे अधिक बढ़ जाता है।
शोधकर्ताओं का मानना है कि यह चरम व्यवहार, जो गुहा के ऑप्टिकल गुणों से निकटता से संबंधित है, सुपरकंडक्टिंग स्थिति और डार्क कैविटी मोड के बीच युग्मन के लिए एक महत्वपूर्ण प्रयोगात्मक आधार है। दूसरे शब्दों में, शोध के परिणाम केवल यह नहीं दिखाते हैं कि "एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री को एक विशेष गुहा में डालने से यह मजबूत हो जाएगा", बल्कि यह दर्शाता है कि गुहा में सुपरकंडक्टिंग स्थिति और विशिष्ट विद्युत चुम्बकीय मोड के बीच अनुनाद विशेषताओं के साथ एक बातचीत होती है।
प्रायोगिक घटना को और अधिक समझाने के लिए, जियांग क़िंगडोंग की टीम, विल्ज़ेक और अन्य ने एक सैद्धांतिक मॉडल स्थापित किया। उन्होंने गिन्ज़बर्ग-लैंडौ सैद्धांतिक ढांचे का उपयोग यह प्रस्तावित करने के लिए किया कि सुपरकंडक्टिंग राज्य आभासी फोटॉन के माध्यम से अंधेरे गुहा के साथ बातचीत कर सकता है। यह इंटरैक्शन सुपरकंडक्टिंग स्थिति की ऊर्जा को कम कर सकता है, जिससे सुपरकंडक्टिंग स्थिति अधिक स्थिर हो जाती है और अंततः सुपरकंडक्टिंग गुणों में वृद्धि होती है।
जब डार्क कैविटी मोड की विशिष्ट ऊर्जा सुपरकंडक्टिंग सिस्टम में कम-ऊर्जा के उतार-चढ़ाव से मेल खाती है, तो दोनों के बीच युग्मन एक अनुनाद स्थिति तक पहुंच जाता है, इसलिए प्रयोग में सुपरकंडक्टिंग एन्हांसमेंट प्रभाव का चरम दिखाई देता है।
इस अध्ययन की सबसे खास बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पारंपरिक अर्थों में बाहरी ड्राइविंग के माध्यम से सुपरकंडक्टिविटी को नहीं बढ़ाया, बल्कि क्वांटम वैक्यूम वातावरण जिसमें सामग्री स्थित है, को बदलकर नियंत्रण हासिल किया। दूसरे शब्दों में, निर्वात अब केवल भौतिक घटनाओं को होस्ट करने वाली एक निष्क्रिय पृष्ठभूमि नहीं है, बल्कि सावधानीपूर्वक डिज़ाइन की गई गुहाओं के माध्यम से पदार्थ की क्वांटम स्थिति को प्रभावित करने के लिए एक सक्रिय उपकरण बन सकता है।
शोधकर्ताओं ने कहा कि यह विधि गैर-संपर्क तरीके से क्वांटम सामग्रियों को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदान करती है। बाहरी विद्युत क्षेत्रों, चुंबकीय क्षेत्रों या अन्य ड्राइविंग विधियों को सीधे लागू करने के बजाय, शोधकर्ता मुख्य रूप से गुहा संरचना को डिजाइन करके सामग्री के चारों ओर विद्युत चुम्बकीय वैक्यूम वातावरण को बदलते हैं, जिससे सुपरकंडक्टिंग स्थिति प्रभावित होती है।
यदि भविष्य में डार्क कैविटी संरचना और प्रयुक्त सामग्री प्रणाली को और अधिक अनुकूलित किया जा सकता है, तो वैक्यूम उतार-चढ़ाव और क्वांटम सामग्रियों के बीच युग्मन को और बढ़ाया जा सकता है और इसे अधिक प्रकार की क्वांटम अवस्थाओं और क्वांटम सामग्रियों तक विस्तारित किए जाने की उम्मीद है।
इस शोध का यह भी अर्थ है कि मनुष्य का "वैक्यूम" का उपयोग करने का तरीका बदल रहा है। अतीत में, वैक्यूम को एक ऐसे वातावरण के रूप में अधिक माना जाता था जिसे प्रयोगों में हस्तक्षेप को खत्म करने की आवश्यकता थी, लेकिन क्वांटम भौतिकी के विकास ने साबित कर दिया है कि वैक्यूम वास्तव में "कुछ भी नहीं" नहीं है। यह प्रयोग आगे दिखाता है कि वैक्यूम वातावरण को कृत्रिम रूप से डिजाइन करके, मूल रूप से कमजोर क्वांटम उतार-चढ़ाव को मैक्रोस्कोपिक क्वांटम सामग्रियों को विनियमित करने के लिए एक उपकरण में भी बदला जा सकता है, जो भविष्य की सुपरकंडक्टिंग तकनीक और क्वांटम सामग्री अनुसंधान के लिए एक नई अन्वेषण दिशा प्रदान करता है।
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