MIT का बड़ा खुलासा: ग्रैफीन में मिले कई सुपरकंडक्टिंग अवस्थाएं, चुंबकीय क्षेत्र में भी नहीं टूटता प्रतिरोध

MIT के वैज्ञानिकों ने रोम्बोहेड्रल ग्रैफीन में कई सुपरकंडक्टिंग अवस्थाओं की खोज की

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (MIT) के शोधकर्ताओं (लॉन्ग जू के नेतृत्व में) ने रोम्बोहेड्रल-स्टैक्ड मल्टीलेयर ग्रैफीन में सुपरकंडक्टिंग चरणों की एक समृद्ध श्रृंखला का पता लगाया है। ग्रैफीन कार्बन की एक अति पतली परत है, जो पेंसिल की सीसे में पाए जाने वाले ग्रेफाइट से बनती है। रोम्बोहेड्रल संरचना में ग्रैफीन की परतें एक विशिष्ट 'सीढ़ीदार' क्रम में रखी होती हैं, जो इसके इलेक्ट्रॉनिक गुणों को नाटकीय रूप से बदल देती हैं।

कई अलग-अलग सुपरकंडक्टिंग अवस्थाएं

शोधकर्ताओं ने पाया कि ग्रैफीन की अलग-अलग मोटाई (परतों की संख्या) में अलग-अलग प्रकार की सुपरकंडक्टिविटी उभरती है:

• टेट्रालेयर (चार परत) और पेंटालेयर (पाँच परत) ग्रैफीन में कई 'क्लीन-लिमिट' सुपरकंडक्टिंग अवस्थाएं पाई गईं। पेंटालेयर ग्रैफीन में ही, टीम ने तीन अलग-अलग प्रकार की फील्ड-एन्हांस्ड और फील्ड-इंड्यूस्ड सुपरकंडक्टिविटी की पहचान की, जो 8.5 टेस्ला तक के चुंबकीय क्षेत्र में भी मजबूत बनी रहती हैं ।
• टेट्रालेयर ग्रैफीन में दो नई सुपरकंडक्टिंग अवस्थाएं देखी गईं, जिनमें चिरलिटी और आंतरिक चुंबकत्व दोनों मौजूद हैं — एक ऐसा संयोजन जो पहले कभी किसी सुपरकंडक्टर में नहीं देखा गया । MIT की RLE टीम ने इन अवस्थाओं का संक्रमण तापमान लगभग 300 मिलीकेल्विन तक बताया है ।
• हेक्सालेयर (छह परत) ग्रैफीन एक ऐसा सुपरकंडक्टिंग चरण दिखाता है जो घूर्णी, स्थानांतरीय और समय-उत्क्रमण सममिति को एक साथ तोड़ता है ।
• हेप्टालेयर (सात परत) ग्रैफीन भी कई सुपरकंडक्टिंग चरण दिखाता है, जो इस बात को पुष्ट करता है कि यह घटना परतों की संख्या के साथ बढ़ती है ।

चुंबकीय क्षेत्र में व्यवहार: सामान्य भौतिकी के विपरीत

सामान्य (s-वेव) सुपरकंडक्टिविटी चुंबकीय क्षेत्र से नष्ट हो जाती है — चाहे वह समतल से बाहर (आर्बिटल डिपेयरिंग) हो या समतल के अंदर (पॉली पैरामैग्नेटिक डिपेयरिंग)। MIT की खोजें इस नियम को बार-बार तोड़ती हैं:

• समतल से बाहर चुंबकीय क्षेत्र द्वारा स्थिरीकरण: रोम्बोहेड्रल हेक्सालेयर ग्रैफीन में, एक सुपरकंडक्टिंग चरण चुंबकीय क्षेत्र से नष्ट नहीं होता, बल्कि स्थिर होता है। यह सुपरकंडक्टिंग अवस्था क्वांटम हॉल अवस्थाओं के साथ सह-अस्तित्व में रहती है और प्रतिस्पर्धा करती है — दो ऐसी घटनाएं जिन्हें पारंपरिक रूप से परस्पर अनन्य माना जाता था ।
• समतल के अंदर क्षेत्र के प्रति लचीलापन: टेट्रा-, पेंटा- और हेप्टालेयर ग्रैफीन में कई सुपरकंडक्टिंग अवस्थाएं पारंपरिक पॉली लिमिट से कहीं आगे तक बनी रहती हैं, जिनमें क्रिटिकल इन-प्लेन फील्ड 8.5 टेस्ला से अधिक होता है ।
• क्षेत्र-प्रेरित सुपरकंडक्टिविटी: कुछ स्थितियों में, समतल के अंदर चुंबकीय क्षेत्र लगाने से एक इंसुलेटर-सुपरकंडक्टर संक्रमण होता है — जो सामान्य व्यवहार के बिल्कुल विपरीत है ।
• स्ट्राइप-ऑर्डर्ड सुपरकंडक्टर: हेक्सालेयर ग्रैफीन में, सुपरकंडक्टिंग अवस्था स्ट्राइप चार्ज ऑर्डर के साथ सह-अस्तित्व में रहती है और समय-उत्क्रमण सममिति को तोड़ती है ।

प्रस्तावित तंत्र

MIT टीम का प्रस्ताव है कि ये असामान्य गुण पारंपरिक स्पिन-सिंगलेट पेयरिंग के बजाय स्पिन-ट्रिपलेट पेयरिंग से उत्पन्न होते हैं । मुख्य सैद्धांतिक तत्व इस प्रकार हैं:

• इन प्रणालियों में सामान्य अवस्था आइसोस्पिन-पोलराइज्ड (स्पिन और/या वैली पोलराइज्ड) होती है, जो सुपरकंडक्टिविटी शुरू होने से पहले ही समय-उत्क्रमण सममिति को तोड़ देती है ।
• सुपरकंडक्टिविटी एक क्वार्टर-मेटल मूल अवस्था से उभरती है — जिसमें एक एकल स्पिन, एकल वैली, एकल बैंड और एकल फर्मी पॉकेट होता है ।
• चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति देखा गया लचीलापन स्पिन-ट्रिपलेट या चिरल सुपरकंडक्टिंग ऑर्डर पैरामीटर की एक पहचान है, जहां इलेक्ट्रॉन जोड़े विपरीत होने के बजाय संरेखित होते हैं ।
• हेक्सालेयर प्रणाली में, प्रस्तावित अवस्था एक "स्ट्राइप्ड" सुपरकंडक्टर है जो एक साथ घूर्णी, स्थानांतरीय और समय-उत्क्रमण सममितियों को तोड़ता है, जो एक जटिल, बहु-घटक ऑर्डर पैरामीटर की ओर इशारा करता है ।

व्यापक निहितार्थ

ये निष्कर्ष अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी के अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण हैं:

• एक ट्यूनेबल प्लेटफॉर्म: रोम्बोहेड्रल मल्टीलेयर ग्रैफीन विभिन्न परत संख्याओं में अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी के व्यवस्थित अध्ययन के लिए एक स्वच्छ, मोइरे-मुक्त, गेट-ट्यूनेबल प्लेटफॉर्म प्रदान करता है ।
• चिरल सुपरकंडक्टिविटी: एक एकल सामग्री में सुपरकंडक्टिविटी और आंतरिक चुंबकत्व का सह-अस्तित्व चिरल सुपरकंडक्टर्स के अस्तित्व की पुष्टि करता है — एक लंबे समय से सिद्धांतित लेकिन शायद ही कभी देखी गई अवस्था ।
• स्पिन-ट्रिपलेट पेयरिंग: चुंबकीय क्षेत्र के प्रति लचीलापन एक ठोस-अवस्था प्रणाली में स्पिन-ट्रिपलेट सुपरकंडक्टिविटी के लिए अब तक के सबसे मजबूत सबूतों में से कुछ प्रदान करता है ।
• टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी: कई सैद्धांतिक कार्य भविष्यवाणी करते हैं कि ये अवस्थाएं मेजराना फर्मियन और सहज भंवर-प्रतिभंवर जालकों की मेजबानी कर सकती हैं, जो टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए प्रासंगिक हैं ।
• मोइरे प्रणालियों से परे: ये खोजें दिखाती हैं कि अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी के लिए मैजिक-एंगल मोइरे सुपरलैटिस की आवश्यकता नहीं है — यह स्वयं रोम्बोहेड्रल ग्रैफीन की आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना से उत्पन्न हो सकती है, जो नए सुपरकंडक्टर्स के लिए खोज स्थान का बहुत विस्तार करती है ।