शोधकर्ताओं ने उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स के भौतिकी को अनलॉक किया
कुछ सामग्री, जब एक निश्चित तापमान पर ठंडा किया जाता है, यह एक विद्युत प्रतिरोध और एक अतिचालक बन जाता है।
छवि क्रेडिट: जूलियन बोब्रॉफ, फ्रेडरिक गुलदस्ता, जेफरी क्विलियम, एलपीएस, ऑर्से, फ्रांस के माध्यम से विकिमीडियासीसी-बाय-एसए-3.0
इस स्थिति में, चार्ज सामग्री के माध्यम से अनिश्चित काल तक गुजर सकता है, सुपरकंडक्टर्स को बड़ी मात्रा में बिजली या अन्य उपयोगों के संचार के लिए एक मूल्यवान संसाधन बना देता है। सुपरकंडक्टर्स लॉन्ग आइलैंड और मैनहट्टन के बीच बिजली ले जाते हैं। उनका उपयोग मेडिकल इमेजिंग उपकरण जैसे एमआरआई मशीन, कण त्वरक और मैग्लेव ट्रेनों में उपयोग किए जाने वाले मैग्नेट में किया जाता है। यहां तक कि अप्रत्याशित सामग्री, जैसे कि कुछ सिरेमिक सामग्री, पर्याप्त रूप से ठंडा होने पर सुपरकंडक्टर्स बन सकती हैं।
लेकिन अब तक वैज्ञानिक यह नहीं समझ पाए थे कि पदार्थ को अतिचालक बनाने से क्या होता है। विशेष रूप से, अब तक यह समझ में नहीं आया था कि कुछ कॉपर ऑक्साइड सामग्री में होने वाली उच्च-तापमान अतिचालकता कैसे काम करती है। विभिन्न प्रकार के सुपरकंडक्टर्स की जांच करने वाले 1966 के सिद्धांत ने कहा कि विपरीत रूप से घूमने वाले इलेक्ट्रॉन तथाकथित कूपर जोड़े बनाने के लिए गठबंधन करते हैं, जिससे सामग्री के माध्यम से धारा को स्वतंत्र रूप से प्रवाहित करने की अनुमति मिलती है।
मिशिगन के नेतृत्व वाले दो अध्ययनों ने जांच की है कि सुपरकंडक्टिविटी कैसे काम करती है, पहली खोज के साथ कि लगभग 50% अतिचालकता को 1966 के सिद्धांत के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। उलझा हुआ।हाल के यूएम पीएचडी ज़िनयांग डोंग और यूएम भौतिक विज्ञानी के नेतृत्व में अनुसंधान इमैनुएल गैलोप्रकृति भौतिकी और राष्ट्रीय विज्ञान अकादमी की कार्यवाही।
गैल ने कहा कि क्रिस्टल में तैरने वाले इलेक्ट्रॉनों को उन्हें एक साथ रखने के लिए कुछ चाहिए। जब दो इलेक्ट्रॉन आपस में जुड़ते हैं, तो एक अतिचालक अवस्था बनती है। लेकिन इन इलेक्ट्रॉनों को एक साथ क्या रखता है? आम तौर पर इलेक्ट्रॉन एक दूसरे को पीछे हटाते हैं, लेकिन 1966 का एक सिद्धांत बताता है कि मजबूत क्वांटम प्रभाव वाले क्रिस्टल में, इलेक्ट्रॉनों के बीच प्रतिकर्षण या तो क्रिस्टल द्वारा परिरक्षित या अवशोषित होता है। यह सुझाव दिया गया था कि
जबकि क्रिस्टल इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण को अवशोषित करता है, विपरीत आकर्षण इलेक्ट्रॉनों के घूर्णी गुणों से उत्पन्न होता है, जिससे वे कूपर जोड़े में बंध जाते हैं। यह इलेक्ट्रॉनिक प्रतिरोधकता की कमी को रेखांकित करता है। हालांकि, सिद्धांत इन क्रिस्टल में जटिल क्वांटम प्रभावों की व्याख्या नहीं करता है।
“यह एक बहुत ही सरल सिद्धांत है, और आप जानते हैं, यह लंबे समय से आसपास रहा है। यह मूल रूप से 1980, 1990 और 2000 के दशक का सैद्धांतिक संदेश था,” गैल ने कहा। “मैं इन सिद्धांतों को लिख सकता था, लेकिन मैं वास्तव में कुछ भी गणना नहीं कर सका। यदि आप गणना करना चाहते हैं, तो आपको क्वांटम सिस्टम को कई डिग्री स्वतंत्रता के साथ हल करना होगा। और अब मेरे स्नातक स्कूल रॉ ने ऐसा करने के लिए कोड लिखा है।”
नेचर फिजिक्स में प्रकाशित एक पेपर में, डोंग ने कॉपर ऑक्साइड-आधारित सुपरकंडक्टर्स के लिए डायनेमिक क्लस्टर विधि को लागू करने के लिए सुपरकंप्यूटर का उपयोग करके इस सिद्धांत की खोज की। इस पद्धति में, इलेक्ट्रॉनों और उनके स्पिन उतार-चढ़ाव की गणना एक साथ की जाती है, जिससे शोधकर्ताओं को इलेक्ट्रॉनों और उनके स्पिनों के बीच बातचीत का मात्रात्मक विश्लेषण करने की अनुमति मिलती है।
ऐसा करने के लिए, डॉन ने उस क्षेत्र में देखा जहां सामग्री सुपरकंडक्टर्स बन जाती है और चुंबकीय स्पिन संवेदनशीलता नामक स्पिन उतार-चढ़ाव की मुख्य मात्रा की जांच की। उन्होंने संवेदनशीलता और क्षेत्र की गणना के लिए गैल के साथ काम किया, और कोलंबिया विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी एंड्रयू मिल्स ने क्षेत्र का विश्लेषण किया।
इस स्पिन संवेदनशीलता ने शोधकर्ताओं को सरल स्पिन उतार-चढ़ाव सिद्धांत की भविष्यवाणियों की पुष्टि करने की अनुमति दी। उन्होंने इस सिद्धांत को सुपरकंडक्टिंग गतिविधि के अनुरूप पाया – लगभग 50%। अर्थात्, उतार-चढ़ाव सिद्धांत का उपयोग करके सामग्रियों की लगभग आधी अतिचालकता को समझाया जा सकता है।
“यह एक बड़ा परिणाम है क्योंकि यह दर्शाता है कि सिद्धांत काम करता है, यह वास्तव में जो कुछ भी हो रहा है उसे कैप्चर नहीं करता है, ” गल ने कहा। “सवाल, निश्चित रूप से, दूसरे आधे हिस्से का क्या होता है, और यहीं पर 1960 का प्रतिमान बहुत सरल है।”
पीएनएएस में प्रकाशित एक पेपर में, गुल और डोंग ने दूसरे आधे हिस्से की खोज की। वे सुपरकंडक्टिंग क्रिस्टल के सरलीकृत मॉडल के भीतर इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम की जांच करने के लिए लौट आए। इस कॉपर ऑक्साइड क्रिस्टल में कॉपर और ऑक्सीजन बॉन्ड की एक परत होती है। तांबे के परमाणु एक वर्गाकार जाली का निर्माण करते हैं और प्रत्येक परमाणु में इस विन्यास में एक इलेक्ट्रॉन का अभाव होता है।
जब भौतिक विज्ञानी तांबे की ऑक्सीजन परत के साथ इलेक्ट्रॉनों को साझा करने वाली सामग्री में स्ट्रोंटियम जैसे तत्व जोड़ते हैं, तो सामग्री एक कंडक्टर बन जाती है। इस मामले में स्ट्रोंटियम को डोपेंट परमाणु कहा जाता है। प्रारंभ में, आप जितने अधिक आवेश वाहक जोड़ते हैं, सामग्री उतनी ही अधिक अतिचालक बन जाती है। हालांकि, बहुत अधिक चार्ज कैरियर्स को जोड़ने से सुपरकंडक्टिंग गुणों का नुकसान होता है।
इस सामग्री के अलावा, गैल और उनके सह-लेखकों ने न केवल इलेक्ट्रॉन स्पिन को देखा, बल्कि चार्ज में उतार-चढ़ाव भी देखा।
गैल कहते हैं, विविधता, जो सिस्टम को समझने के लिए उपयोगी है, खुद को दो तरीकों से प्रकट करती है। पहला, सिग्नल सिंगल मोमेंटम पॉइंट पर होता है और दूसरा, सिग्नल कम फ्रीक्वेंसी पर होता है। सिंगल-मोमेंटम लो-फ़्रीक्वेंसी एक्साइटमेंट का मतलब है कि लंबे समय तक रहने वाला एक्साइटमेंट शोधकर्ताओं को सिस्टम को देखने और समझाने में मदद करता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि एंटीफेरोमैग्नेटिक उतार-चढ़ाव, जब इलेक्ट्रॉन विपरीत दिशाओं में घूमते हैं, सुपरकंडक्टिविटी पर हावी होते हैं। हालाँकि, हमने फेरोमैग्नेटिक उतार-चढ़ाव भी पाया, जिसने एंटीफेरोमैग्नेटिक उतार-चढ़ाव को रद्द कर दिया, और अंत में 50% परिणाम पर वापस आ गया।
“यदि आपके पास कई क्वांटम कणों के साथ एक जटिल बहु-इलेक्ट्रॉन प्रणाली है, तो कोई कारण नहीं है कि एक साधारण आरेख होना चाहिए जो सब कुछ समझाता है, ” गैल ने कहा। “वास्तव में, आश्चर्यजनक रूप से, 1966 के सिद्धांत जैसे परिदृश्य एक अच्छी राशि पर कब्जा करते हैं, लेकिन सभी नहीं।”
अगला कदम, गल ने कहा, यह देखना है कि क्या उनके निष्कर्ष सुपरकंडक्टर्स में शामिल विशिष्ट प्रकार के स्पेक्ट्रा या परावर्तित प्रकाश की भविष्यवाणी करने में मदद कर सकते हैं। उन्हें यह भी उम्मीद है कि परिणाम भौतिकविदों को यह समझने में मदद करेंगे कि सुपरकंडक्टर्स कैसे काम करते हैं और इस ज्ञान का उपयोग बेहतर सुपरकंडक्टर्स को डिजाइन करने के लिए करते हैं।
चटनी: मिशिगन यूनिवर्सिटी
