सार:
जापान में ओसाका विश्वविद्यालय की अनुसंधान टीम ने हाल ही में सामग्री विज्ञान में प्रगति की है: शोधकर्ताओं ने मौजूदा मधुकोश क्रिस्टल संरचना के साथ ऑक्साइड फिल्म में स्थानीय कोबाल्ट मधुकोश संरचना का निर्माण करने के लिए अपेक्षाकृत सामान्य धातु कोबाल्ट का उपयोग किया, और किताएव-प्रकार की क्वांटम सामग्री से संबंधित विशेष चुंबकत्व का अवलोकन किया। यह उपलब्धि एक नई सामग्री प्रणाली प्रदान करती है जो क्वांटम स्पिन तरल पदार्थ जैसे विदेशी क्वांटम राज्यों का अध्ययन करने के लिए रूथेनियम और इरिडियम जैसी दुर्लभ धातुओं पर निर्भर नहीं होती है।
शोधकर्ताओं द्वारा चुनी गई आधार सामग्री सोडियम एंटीमोनेट (NaSbO₃) है, जिसमें स्वयं एक स्तरित मधुकोश संरचना होती है। अनुसंधान टीम ने इसमें लगभग 4% कोबाल्ट मिलाया, जिससे कोबाल्ट परमाणुओं को मूल बड़े पैमाने की क्रिस्टल संरचना को नष्ट किए बिना स्थानीय रूप से एक CoO₆ मधुकोश संरचना बनाने की अनुमति मिली।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने यह पुष्टि करने के लिए सूक्ष्म विश्लेषण का उपयोग किया कि कोबाल्ट परमाणु वास्तव में एक स्थानीय छत्ते की संरचना में एकत्रित हो गए थे, जैसा कि सिद्धांत द्वारा भविष्यवाणी की गई थी, और कोई स्पष्ट अवांछित दूसरा चरण नहीं बना था। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि विशिष्ट क्वांटम चुंबकत्व वाली सामग्री बनाने के लिए, केवल एक तत्व को दूसरे क्रिस्टल में जोड़ना पर्याप्त नहीं है। डोपिंग परमाणुओं को एक विशिष्ट ज्यामितीय व्यवस्था के साथ पर्याप्त रूप से स्थिर स्थानीय संरचना भी बनानी चाहिए।
इस शोध की कुंजी मधुकोश व्यवस्था में ही निहित है। किताएव सामग्रियों को भौतिकविदों द्वारा महत्व दिया जाता है क्योंकि विशिष्ट मधुकोश जाली और चुंबकीय इंटरैक्शन बहुत विशेष क्वांटम अवस्थाएं उत्पन्न कर सकते हैं, जिनमें से सबसे दिलचस्प क्वांटम स्पिन तरल पदार्थ हैं।
साधारण चुंबकीय सामग्रियों में, बड़ी संख्या में परमाणुओं के चक्कर अंततः कुछ नियमों के अनुसार खुद को व्यवस्थित करते हैं, जैसे लौहचुंबकीय या एंटीफेरोमैग्नेटिक संरचना बनाते हैं। लेकिन क्वांटम स्पिन तरल पदार्थों में, भले ही तापमान बहुत कम स्तर तक कम हो जाता है, स्पिन क्वांटम उतार-चढ़ाव के कारण पारंपरिक अर्थों में लंबी दूरी के चुंबकीय क्रम बनाने में सक्षम नहीं हो सकता है, लेकिन अत्यधिक उलझी हुई गतिशील स्थिति बनाए रखता है।
इस प्रकार की सामग्री हमेशा क्वांटम भौतिकी अनुसंधान का एक महत्वपूर्ण उद्देश्य रही है। सैद्धांतिक रूप से, कुछ क्वांटम स्पिन तरल पदार्थों में बहुत विशेष क्वासिपार्टिकल उत्तेजना और टोपोलॉजिकल गुण हो सकते हैं, और इसलिए उन्हें भविष्य की क्वांटम कंप्यूटिंग और नए क्वांटम डिवाइस अनुसंधान के लिए संभावित रूप से प्रासंगिक माना जाता है। हालाँकि, इस प्रकार की सामग्री वास्तव में क्वांटम कंप्यूटिंग में उपयोग किए जाने से अभी भी बहुत दूर है।
पहले, बड़ी संख्या में किताएव सामग्री अनुसंधान रूथेनियम और इरिडियम युक्त यौगिकों पर केंद्रित था, क्योंकि ये तत्व अनुसंधान के लिए आवश्यक मजबूत स्पिन-ऑर्बिट युग्मन जैसे गुण प्रदान कर सकते हैं। हालाँकि, रूथेनियम और इरिडियम दोनों अपेक्षाकृत दुर्लभ और महंगे तत्व हैं, जो कुछ हद तक बड़े पैमाने पर तैयारी और संबंधित सामग्रियों के आगे के अनुप्रयोग अन्वेषण को सीमित करते हैं।
यही कारण है कि कोबाल्ट शोधकर्ताओं के लिए चिंता का विषय है। कोबाल्ट एक अपेक्षाकृत सामान्य संक्रमण धातु है जिसका उपयोग बैटरी, मिश्र धातु, अर्धचालक विनिर्माण और अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से किया गया है। इसकी लागत और आपूर्ति आम तौर पर रूथेनियम और इरिडियम की तुलना में बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए अधिक अनुकूल है। अनुसंधान दल को एक प्रमुख प्रश्न को सत्यापित करने की उम्मीद है: क्या कोबाल्ट को किताएव की सामग्री के समान एक छत्ते की संरचना बनाने के लिए बनाया जा सकता है, और इस प्रकार अनुसंधान मूल्य के साथ चुंबकीय गुण प्राप्त किए जा सकते हैं।
प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि यह विचार वास्तव में संभव है। चुंबकीय माप से पता चला कि सामग्री लगभग 88 केल्विन के करीब लौहचुंबकीय अवस्था में दिखाई देती है, जो शून्य से 185 डिग्री सेल्सियस नीचे है। सैद्धांतिक गणना से पता चलता है कि यह चुंबकीय व्यवहार CoO₆ की स्थानीय मधुकोश संरचना में कोबाल्ट परमाणुओं की व्यवस्था से निकटता से संबंधित है।
अध्ययन में यह भी पाया गया कि सामग्री इंटरलेयर एंटीफेरोमैग्नेटिक कपलिंग प्रदर्शित करती है, यानी, हालांकि स्थानीय संरचना फेरोमैग्नेटिक जैसी चुंबकीय विशेषताओं को प्रदर्शित करती है, विभिन्न परतों के बीच चुंबकीय इंटरैक्शन की दिशाएं अलग-अलग होती हैं। यह जटिल चुंबकीय संपर्क नई क्वांटम चुंबकीय सामग्री के अध्ययन के लिए एक महत्वपूर्ण आधार है।
हालांकि, शोधकर्ताओं ने इस बात पर भी स्पष्ट रूप से जोर दिया कि वर्तमान में इस बात का कोई सबूत नहीं है कि इस कोबाल्ट-आधारित सामग्री ने क्वांटम स्पिन तरल बनाया है। इसलिए, इस उपलब्धि को सीधे तौर पर "क्वांटम स्पिन तरल की खोज जिसका उपयोग क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए किया जा सकता है" कहना सही नहीं है। इस स्तर पर एक अधिक सटीक बयान यह है कि अनुसंधान टीम ने किताएव-प्रकार की चुंबकीय विशेषताओं के साथ और अधिक सामान्य कोबाल्ट तत्व पर आधारित एक नया सामग्री मंच स्थापित किया है।
इस कार्य का एक और महत्वपूर्ण महत्व यह है कि शोधकर्ताओं ने अत्यधिक जटिल कृत्रिम परमाणु व्यवस्था प्रौद्योगिकी के माध्यम से जबरन छत्ते की संरचना नहीं बनाई। इसके बजाय, उन्होंने कोबाल्ट को NaSbO₃ में शामिल किया, जिसमें पहले से ही एक मधुकोश जाली है, और कोबाल्ट परमाणुओं को अपने आप एक स्थानीय CoO₆ मधुकोश संरचना बनाने की अनुमति दी।
शोधकर्ताओं ने कहा कि इन कोबाल्ट मधुकोश संरचनाओं की प्राकृतिक रूप से बनने और सिद्धांत द्वारा अनुमानित स्पष्ट चुंबकीय संकेतों का उत्पादन करने की क्षमता इस काम का एक रोमांचक परिणाम है। इसका मतलब यह है कि समान सामग्री डिजाइन विचारों का उपयोग भविष्य में विशिष्ट जाली संरचनाओं के साथ सामान्य सामग्रियों को "टेम्पलेट्स" के रूप में चुनकर और फिर क्वांटम सामग्रियों के निर्माण के लिए उपयुक्त चुंबकीय तत्वों को जोड़कर किया जा सकता है जो केवल अतीत में दुर्लभ तत्वों पर भरोसा कर सकते हैं।
शोध टीम वर्तमान में सामग्री की संरचना में और बदलाव कर रही है और इसके क्वांटम गुणों का अधिक विस्तार से परीक्षण कर रही है। अगले चरण में महत्वपूर्ण प्रश्नों में शामिल है कि क्या प्रासंगिक चुंबकीय इंटरैक्शन को और बढ़ाया और नियंत्रित किया जा सकता है, और क्या सामग्री कोबाल्ट की एकाग्रता, क्रिस्टल संरचना और इंटरलेयर युग्मन को बदलकर सैद्धांतिक किताएव मॉडल के करीब क्वांटम स्थिति में प्रवेश कर सकती है।
इसलिए, इस शोध का महत्व अस्थायी रूप से एक नई क्वांटम कंप्यूटर चिप के तत्काल निर्माण के बजाय बुनियादी सामग्री विज्ञान और क्वांटम चुंबकत्व अनुसंधान के क्षेत्रों में अधिक परिलक्षित होता है। यह वास्तव में एक नया सामग्री डिजाइन मार्ग प्रदान करता है: कोबाल्ट का उपयोग करना, जो भंडार में अपेक्षाकृत प्रचुर मात्रा में है और अपेक्षाकृत कम लागत वाला है, मौजूदा छत्ते की जाली सामग्री में स्थानीय विशेष चुंबकीय संरचनाओं का निर्माण करने के लिए, जिससे रूथेनियम और इरिडियम जैसे दुर्लभ तत्वों पर निर्भरता कम हो जाती है।
यदि अनुवर्ती अनुसंधान यह साबित कर सकता है कि इस कोबाल्ट-आधारित प्रणाली में मजबूत क्वांटम उलझाव, टोपोलॉजिकल उत्तेजना या अन्य किताएव-प्रकार की क्वांटम विशेषताएं हैं, तो यह क्वांटम स्पिन तरल पदार्थ और नई क्वांटम सामग्री का अध्ययन करने के लिए एक महत्वपूर्ण प्रायोगिक मंच बन सकता है, और क्वांटम सामग्री के भविष्य के अन्वेषण के लिए नई दिशाएं भी प्रदान कर सकता है जो बड़े पैमाने पर निर्माण करना आसान है।
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