कॉर्नेल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने पहली बार प्रत्यक्ष रूप से यह देखने के लिए चुंबकीय इमेजिंग का उपयोग किया है कि एक विशेष प्रकार के इन्सुलेटर में इलेक्ट्रॉन कैसे प्रवाहित होते हैं, जिससे उन्हें यह पता लगाने में मदद मिलती है कि परिवहन धारा सामग्री के आंतरिक भाग से बहती है न कि किनारों के आसपास, जैसा कि वैज्ञानिक लंबे समय से मानते रहे हैं।
यह खोज क्वांटम असंगत हॉल इंसुलेटर में इलेक्ट्रॉन गतिशीलता पर प्रकाश डालती है और दशकों से चली आ रही बहस को हल करने में मदद करती है कि अधिक सामान्य क्वांटम हॉल इंसुलेटर में करंट कैसे प्रवाहित होता है। ये अंतर्दृष्टि अगली पीढ़ी के क्वांटम उपकरणों के लिए टोपोलॉजिकल सामग्रियों के विकास की जानकारी देगी।
शोध दल का पेपर हाल ही में नेचर मटेरियल्स जर्नल में प्रकाशित हुआ था। पेपर के पहले लेखक मैट फर्ग्यूसन, पीएच.डी. हैं। 22 वर्षों से और वर्तमान में जर्मनी में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर सॉलिड स्टेट केमिकल फिजिक्स में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता हैं।
क्वांटम हॉल प्रभाव
कॉलेज ऑफ आर्ट्स एंड साइंसेज में भौतिकी के सहायक प्रोफेसर और पेपर के वरिष्ठ लेखक काटजा नोवाक के नेतृत्व में यह परियोजना क्वांटम हॉल प्रभाव के रूप में जानी जाती है। क्वांटम हॉल प्रभाव, जिसे पहली बार 1980 में खोजा गया था, एक असामान्य घटना का कारण बनता है जब एक चुंबकीय क्षेत्र एक विशिष्ट सामग्री पर कार्य करता है: एक थोक नमूने के अंदर एक इन्सुलेटर बन जाता है, जबकि विद्युत प्रवाह बाहरी किनारे के साथ एक दिशा में चलता है। प्रतिरोध को मौलिक सार्वभौमिक स्थिरांक द्वारा परिभाषित मूल्य तक परिमाणित या प्रतिबंधित किया जाता है, और शून्य पर गिरा दिया जाता है।
क्वांटम विसंगतिपूर्ण हॉल इंसुलेटर, पहली बार 2013 में खोजे गए, चुंबकीय सामग्री का उपयोग करके समान प्रभाव प्राप्त करते हैं। परिमाणीकरण अभी भी होता है, अनुदैर्ध्य प्रतिरोध गायब हो जाता है, और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को नष्ट किए बिना किनारे पर गति करते हैं, कुछ हद तक सुपरकंडक्टर की तरह।
लोकप्रिय धारणाओं को तोड़ें
नोवाक ने कहा, "किनारे पर बहती धारा की तस्वीर इस बात की अच्छी व्याख्या है कि परिमाणीकरण कैसे होता है। लेकिन यह पता चला है कि यह एकमात्र तस्वीर नहीं है जो परिमाणीकरण को समझा सकती है।" "इस सदी की शुरुआत में टोपोलॉजिकल इंसुलेटर के शानदार उदय के बाद से यह किनारे की तस्वीर हावी हो गई है। स्थानीय वोल्टेज और स्थानीय धाराओं की जटिलता को काफी हद तक भुला दिया गया है। वास्तव में, ये स्थितियाँ किनारे की तस्वीर से कहीं अधिक जटिल हो सकती हैं।"
वर्तमान में केवल कुछ सामग्रियों को क्वांटम विसंगतिपूर्ण हॉल इंसुलेटर के रूप में जाना जाता है। अपने नए काम में, नोवाक की टीम ने क्रोमियम-डोप्ड बिस्मथ एंटीमनी टेलुराइड पर ध्यान केंद्रित किया - वही यौगिक जिसमें पहली बार एक दशक पहले क्वांटम विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव देखा गया था।
यह नमूना पेन स्टेट के भौतिकी प्रोफेसर नितिन समर्थ के नेतृत्व में सहयोगियों द्वारा विकसित किया गया था। सामग्री को स्कैन करने के लिए, नोवाक और फर्ग्यूसन ने अपनी प्रयोगशाला के सुपरकंडक्टिंग क्वांटम इंटरफेरेंस डिवाइस (स्क्विड) का उपयोग किया, जो एक बेहद संवेदनशील चुंबकीय क्षेत्र सेंसर है जो क्रायोजेनिक तापमान पर काम कर सकता है और बेहद छोटे चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगा सकता है। SQUID प्रभावी ढंग से वर्तमान प्रवाह (जो चुंबकीय क्षेत्र के लिए ज़िम्मेदार है) की छवि बनाता है और फिर इन छवियों को वर्तमान घनत्व का पुनर्निर्माण करने के लिए जोड़ता है।
नोवाक ने कहा, "हम जिन धाराओं का अध्ययन कर रहे थे, वे बहुत छोटी थीं, इसलिए उन्हें मापना मुश्किल था।" "हमें एक केल्विन से नीचे के तापमान पर नमूने की अच्छी मात्रा निर्धारित करने की आवश्यकता थी। मुझे गर्व है कि हमने ऐसा किया।"
खोज और भविष्य पर प्रभाव
जब शोधकर्ताओं ने देखा कि इलेक्ट्रॉन किनारों के बजाय सामग्री के बड़े हिस्से में प्रवाहित होते हैं, तो उन्होंने पिछले निष्कर्षों को देखना शुरू कर दिया। उन्होंने पाया कि 1980 में पहली बार क्वांटम हॉल प्रभाव की खोज के बाद के वर्षों में, इस बात पर बहुत बहस हुई थी कि इलेक्ट्रॉन प्रवाह कहाँ होता है, एक ऐसी बहस जिससे अधिकांश युवा सामग्री वैज्ञानिक अनजान थे।
उन्होंने कहा, "मुझे उम्मीद है कि टोपोलॉजिकल सामग्रियों पर काम करने वाली नई पीढ़ी इस काम पर ध्यान देगी और बहस को फिर से शुरू करेगी। यह स्पष्ट है कि हम टोपोलॉजिकल सामग्रियों में क्या होता है, इसके कुछ बुनियादी पहलुओं को भी नहीं समझते हैं।" "अगर हम यह नहीं समझते कि बिजली कैसे बहती है, तो हम वास्तव में इन सामग्रियों के बारे में क्या जानते हैं?
इन सवालों का जवाब देना अधिक जटिल उपकरणों को बनाने के लिए भी प्रासंगिक हो सकता है, जैसे कि हाइब्रिड तकनीक जो पदार्थ की अधिक विदेशी स्थिति बनाने के लिए सुपरकंडक्टर्स को क्वांटम विसंगतिपूर्ण हॉल इंसुलेटर के साथ जोड़ती है।
नोवाक ने कहा, "मुझे यह जानने में दिलचस्पी होगी कि क्या जो घटनाएं हमने देखीं, वे अलग-अलग सामग्री प्रणालियों पर लागू होती हैं। हो सकता है कि कुछ सामग्रियों में, धारा अलग-अलग तरीके से बहती हो।" "मेरे लिए, यह टोपोलॉजिकल सामग्रियों के आकर्षण को उजागर करता है - विद्युत माप में उनका व्यवहार सूक्ष्म विवरणों से स्वतंत्र, बहुत सामान्य सिद्धांतों द्वारा निर्धारित होता है। हालांकि, सूक्ष्म पैमाने पर क्या हो रहा है यह समझना हमारी मौलिक समझ और अनुप्रयोगों दोनों के लिए महत्वपूर्ण है। सामान्य सिद्धांतों और बारीकियों का यह परस्पर संबंध टोपोलॉजिकल सामग्रियों के अध्ययन को इतना आकर्षक और आकर्षक बनाता है।"