परमाणु-स्तरीय सतही सोपान क्वांटम वॉर्टिस की गति को 1,000 गुना अधिक आसान बनाते हैं

जापान के शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि केवल एक परमाणु की ऊँचाई वाला सतही सोपान क्वांटम वॉर्टिस के लिए रेल की तरह काम कर सकता है, जिससे वॉर्टिस दूसरी दिशा की तुलना में एक दिशा में लगभग 1,000 गुना अधिक आसानी से चलते हैं।

परिणाम एक अल्ट्रा‑पतले सुपरकंडक्टर से आया है जो सिलिकॉन पर इंडियम से निर्मित है। Physical Review B में प्रकाशित समीक्षित अध्ययन में, जापान के नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर मैटीरियल्स साइंस (NIMS), होक्काइदो विश्वविद्यालय, भारत के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ़ साइंस एजुकेशन एंड रिसर्च, और टोक्यो के इंस्टीट्यूट ऑफ़ साइंस के शोधकर्ताओं ने मापा कि जोसेफ़सन वॉर्टिस परमाणु सोपानों की नियमित श्रृंखला के समानांतर और लंबवत कैसे यात्रा करते हैं।

मध्यवर्ती चुंबकीय क्षेत्रों में यह अंतर लगभग 10³ के क्रम तक पहुँचा। केवल वॉर्टिस को फँसाने के बजाय—जैसा कि दोष अक्सर सुपरकंडक्टर्स में करते हैं—सोपान एक अत्यधिक दिशात्मक परिवहन चैनल बनाते हैं, जिसका व्यवहार तापमान और चुंबकीय क्षेत्र के साथ समायोजित किया जा सकता है।

क्यों वॉर्टिस गति सुपरकंडक्टर में महत्वपूर्ण है

एक सुपरकंडक्टर क्रिटिकल तापमान के नीचे विद्युत धारा को सामान्य प्रतिरोध के बिना वहन करता है। हालांकि, एक चुंबकीय क्षेत्र के तहत, चुंबकीय फ्लक्स परिसंचारी धारा के क्वांटीकृत भँवरों के रूप में भीतर प्रवेश कर सकता है, जिन्हें वॉर्टिस कहा जाता है। जब ये वॉर्टिस चलते हैं, तो वे ऊर्जा बिखेरते हैं और विद्युत प्रतिरोध उत्पन्न करते हैं।

वॉर्टिस गति को नियंत्रित करना इसलिए सुपरकंडक्टिंग सामग्री में एक केंद्रीय समस्या है। पारंपरिक अभियांत्रिकी अक्सर वॉर्टिस को पिनिंग साइट्स नामक दोषों के साथ स्थिर करने का प्रयास करती है। नया प्रयोग एक अलग संभावना का अन्वेषण करता है: सतह को इस प्रकार आकार देना कि वॉर्टिस एक दिशा में आसानी से यात्रा कर सकें जबकि दूसरी दिशा में उन्हें दृढ़ता से बाधित किया जाए।

टीम ने परमाणु‑परत सुपरकंडक्टर Si(111)-(√7×√3)-In का उपयोग किया, जो थोड़ी झुकी हुई सिलिकॉन सतह को इंडियम परमाणु द्वि‑परतों से ढककर बनाया गया था। झुकाव समानांतर टैरेस बनाता है जो मुख्यतः 0.31 नैनोमीटर ऊँचे सोपानों द्वारा विभक्त होते हैं। ये टैरेस औसतन लगभग 89 नैनोमीटर चौड़े थे—जो इस सामग्री में जोसेफ़सन वॉर्टिस कोर के 80–100 नैनोमीटर ट्रांसवर्स आकार के निकट है।

यह लंबाई पैमाना मिलान महत्वपूर्ण है। यद्यपि प्रत्येक सोपान एक नैनोमीटर से कम ऊँचा है, यह पूरे लम्बे हुए वॉर्टिस कोर को पार करता है और पड़ोसी सुपरकंडक्टिंग टैरेस को जोसेफ़सन जंक्शन की एक श्रृंखला की तरह कमजोर रूप से जोड़ता है।

शोधकर्ताओं ने 1,000‑गुना अंतर कैसे मापा

शोधकर्ताओं ने पहले 0.4 केल्विन पर स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके समानांतर सोपान संरचना, सुपरकंडक्टिंग ऊर्जा अंतराल और सोपानों पर वॉर्टिस की उपस्थिति की पुष्टि की। फिर उन्होंने दो चार‑टर्मिनल मापन विन्यास तैयार किए ताकि लोरेन्ट्ज़ बल वॉर्टिस को या तो सोपानों के साथ या उनके पार धकेल सके।

चलते वॉर्टिस प्रतिरोध उत्पन्न करते हैं, जिससे टीम को उनकी गतिशीलता का विद्युत माप मिला। जब नमूने सतह के तल के लंबवत चुंबकीय क्षेत्र के तहत ठंडे हुए, तो शीट प्रतिरोध तेज़ी से गिरा—परंतु वॉर्टिस गति की दिशा के आधार पर बहुत अलग दरों पर। परिणामी प्रतिरोध अनिसोट्रॉपी, जो गतिशीलता अनिसोट्रॉपी के अनुपात में है, मध्यवर्ती क्षेत्रों में लगभग 1,000 तक पहुँचा।

मापन ने कई परिवहन मोड भी उजागर किए। अपेक्षाकृत उच्च तापमान और कम चुंबकीय क्षेत्रों पर, थर्मल ऊर्जा वॉर्टिस को पिनिंग बाधाओं के ऊपर रेंगने में मदद करती थी। क्षेत्र बढ़ाने से ये बाधाएँ असमान रूप से कम हुईं। लगभग 0.10 से 0.20 टेस्ला के बीच, सोपानों के समानांतर गति के लिए बाधा समाप्त हो गई जबकि उनके पार बाधा परिमित बनी रही। इससे वह प्रवाह उत्पन्न हुआ जिसे लेखक एक‑आयामी, पिनिंग‑रहित वॉर्टिस प्रवाह के रूप में वर्णित करते हैं।

सबसे कम मापे गए तापमान पर, थर्मल सक्रियण शेष गति को समझाने के लिए पर्याप्त नहीं रहा। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि क्वांटम टनलिंग ने वॉर्टिस को नियंत्रित किया। उनका परिणामी चुंबकीय‑क्षेत्र‑तापमान चरण आरेख दर्शाता है कि कहाँ थर्मल क्रीप, दिशात्मक मुक्त प्रवाह और क्वांटम गति प्रमुख होते हैं।

परमाणु ज्यामिति नियंत्रण सतह बन जाती है

अध्ययन पहले के कार्य को विस्तारित करता है जिसमें शोधकर्ताओं ने उसी इंडियम‑ऑन‑सिलिकॉन प्रणाली में परमाणु सोपानों पर सीधे जोसेफ़सन वॉर्टिस को इमेज किया। नया योगदान वह परिवहन प्रमाण है जो दर्शाता है कि ये सोपान मैक्रोस्कोपिक उपकरण में वॉर्टिस गति को कितनी दृढ़ता से नियंत्रित करते हैं।

यह एक प्रभावशाली उदाहरण है जहाँ एक स्केल की ज्यामिति बड़े स्केल के व्यवहार को नियंत्रित करती है। एक सब‑नैनोमीटर सोपान लगभग 100 नैनोमीटर चौड़े वॉर्टिस कोर को प्रभावित करता है, जबकि दिशात्मक प्रभाव विद्युत माप में दिखाई देता है जहाँ करंट पाथ मिलिमीटर के अंश में मापे जाते हैं।

NIMS अनुसंधान सारांश के अनुसार, मार्गदर्शन प्रभाव को तापमान और चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से समायोजित किया जा सकता है। यह ट्यूनबिलिटी सोपानों को स्थिर संरचनात्मक दोषों से अलग करती है और सुझाव देती है कि जानबूझकर पैटर्न वाली सतहें भविष्य के अल्ट्रा‑पतले सुपरकंडक्टिंग उपकरणों में चुंबकीय‑फ़्लक्स परिवहन को नियंत्रित करने के लिए एक डिजाइन उपकरण बन सकती हैं।

क्वांटम प्रौद्योगिकी के लिए इस परिणाम का क्या अर्थ है और क्या नहीं

परिणाम एक नया क्वांटम कंप्यूटर या तैयार‑क्विबिट वास्तुकला नहीं बनता। माप 0.4 से 4.2 केल्विन के बीच अल्ट्रा‑हाई वैक्यूम में एक विशेष एटॉमिक‑लेयर सामग्री पर किए गए, और लेखकों ने नोट किया कि ऐसे अत्यधिक अनिसोट्रॉपिक सिस्टम के मात्रात्मक विश्लेषण के लिए अधिक उपयुक्त सैद्धांतिक विवरण अभी भी आवश्यक हैं।

इसका महत्व अधिक बुनियादी है। सुपरकंडक्टिंग सर्किट सटीक रूप से नियंत्रित क्वांटम अवस्थाओं को बनाए रखने पर निर्भर करते हैं, जबकि अनियंत्रित वॉर्टेक्स गति ऊर्जा ह्रास और शोर उत्पन्न कर सकती है। एक सतह जो वॉर्टेक्स को पूर्वानुमेय रूप से चैनल करती है—या संवेदनशील क्षेत्रों से दूर रखती है—अंततः सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनिक्स, सेंसर और क्वांटम सिस्टम में उपयोग होने वाले घटकों के डिजाइन को प्रभावित कर सकती है।

यह प्रयोग दो आयामों में क्वांटम चरण संक्रमणों का अध्ययन करने के लिए एक साफ़ मंच भी प्रदान करता है। वॉर्टेक्स परिवहन को दो‑आयामी समस्या से प्रभावी रूप से एक‑आयामी चैनल में बदलकर, जो चरण आरेख के एक भाग पर लागू होता है, शोधकर्ता व्यवधान, चुंबकीय क्षेत्र और वहनकर्ता घनत्व कैसे सुपरकंडक्टिंग अवस्थाओं को पुनः आकार देते हैं, इसका परीक्षण करने का नया तरीका प्राप्त करते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण खोज इसलिए केवल यह नहीं है कि एटॉमिक स्टेप्स वॉर्टेक्स को पिन कर सकते हैं। यह है कि सबसे छोटी संभव सतही विशेषताओं की एक जानबूझकर व्यवस्थित श्रृंखला बाहरी परिस्थितियों के बदलने पर प्रतिरोध, निर्देशित प्रवाह और क्वांटम टनलिंग के बीच स्विच कर सकती है। पूरा प्रीप्रिंट स्पष्ट करता है कि यह एक नियंत्रित सामग्री‑भौतिकी प्रदर्शन है, लेकिन यह सतह से क्वांटम गति को इंजीनियर करने की एक विश्वसनीय राह खोलता है।