স্পিনেল স্ফটিক কাঠামোতে অস্বাভাবিক চাপ-প্রণোদিত সুপারকন্ডাক্টিভিটি আবিষ্কৃত হয়েছে

অপ্রত্যাশিত জায়গায় সুপারকন্ডাক্টিভিটি

সুপারকন্ডাক্টিভিটি — এমন একটি ঘটনা যেখানে কোনো পদার্থ একেবারে শূন্য প্রতিরোধে বৈদ্যুতিক প্রবাহ পরিবহন করে — 1911 সালে আবিষ্কারের পর থেকে পদার্থবিদদের মুগ্ধ করে আসছে। এর বৈজ্ঞানিক ইতিহাসের বেশিরভাগ সময়জুড়ে সুপারকন্ডাক্টিভিটিকে নিম্ন-তাপমাত্রার একটি ঘটনা হিসেবে বোঝা হয়েছে: কোনো পদার্থকে পরম শূন্যের কাছাকাছি ঠান্ডা করলে তার ইলেকট্রনগুলো সমন্বিত জোড়ায় সংগঠিত হয় এবং পদার্থের জালের মতো কাঠামোর ভেতর দিয়ে বিচ্ছুরিত না হয়ে বা শক্তি না হারিয়ে চলাচল করে। এই আচরণ ব্যাখ্যা করার তাত্ত্বিক কাঠামো, যা এর উদ্ভাবক বার্ডিন, কুপার এবং শ্রিফার-এর নামানুসারে BCS তত্ত্ব নামে পরিচিত, প্রচলিত সুপারকন্ডাক্টর ব্যাখ্যায় অসাধারণ সফল হয়েছে।

কিন্তু প্রকৃতি খুব কমই তার সবচেয়ে সুবিধাজনক ব্যাখ্যাগুলোর মধ্যেই সীমাবদ্ধ থাকে। একটি নতুন গবেষণায় স্পিনেল স্ফটিক কাঠামোযুক্ত একটি পদার্থে চাপ-প্রণোদিত সুপারকন্ডাক্টিভিটির একটি চমকপ্রদ উদাহরণ নথিভুক্ত করা হয়েছে — যা খনিজ ও কৃত্রিম যৌগের বিস্তৃত এক পরিবারের মধ্যে দেখা যায় এমন পরমাণুর বিন্যাস — এবং যা BCS তত্ত্ব সরাসরি ভবিষ্যদ্বাণী করে না এমনভাবে আচরণ করে। এই পদার্থে সুপারকন্ডাক্টিভিটি কেবল শীতল করার মাধ্যমে নয়, উচ্চ চাপ প্রয়োগের মাধ্যমে উদ্ভূত হয়, এবং তা এমনভাবে ঘটে যে একটি অস্বাভাবিক ইলেকট্রনিক প্রক্রিয়া কাজ করছে বলে ইঙ্গিত মেলে।

এই আবিষ্কার কেন গুরুত্বপূর্ণ

স্পিনেল কাঠামো হলো AB2X4 সাধারণ সূত্রবিশিষ্ট এক শ্রেণির যৌগ, যেখানে A ও B ধাতব ক্যাটায়ন এবং X সাধারণত অক্সিজেন বা সালফার। এগুলো প্রকৃতিতে সাধারণভাবে পাওয়া যায় — স্পিনেল রত্ন নিজেই, পাশাপাশি ম্যাগনেটাইট ও ক্রোমাইট, এই পরিবারের অন্তর্ভুক্ত — এবং তাদের চৌম্বকীয় ও ইলেকট্রনিক বৈশিষ্ট্যের জন্য ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা হয়। চাপের অধীনে কোনো স্পিনেল যৌগে সুপারকন্ডাক্টিভিটি খুঁজে পাওয়া শুধু এই ঘটনার অস্তিত্বের জন্যই নয়, বরং তা যেভাবে প্রকাশ পায় তার নির্দিষ্ট ধরনটির জন্যও উল্লেখযোগ্য।

প্রচলিত চাপ-প্রণোদিত সুপারকন্ডাক্টরে, চাপ সাধারণত স্ফটিক জালের জ্যামিতি বদলে কাজ করে — পরমাণুগুলোকে আরও কাছাকাছি ঠেলে, ইলেকট্রন-ফোনন সংযোগ পরিবর্তন করে যা কুপার জোড়া গঠনের জন্য দায়ী। এই স্পিনেল যৌগে গবেষকেরা যা দেখেছেন, তা ওই কাঠামোর সঙ্গে সহজে মেলে না। মনে হচ্ছে চাপ আরও জটিল এক ইলেকট্রনিক পুনর্গঠনকে চালু করছে, যাতে কক্ষীয় স্বাধীনতার মাত্রা বা প্রতিদ্বন্দ্বী চৌম্বকীয় ও সুপারকন্ডাক্টিং ক্রম-প্যারামিটার থাকতে পারে, যা মানক BCS তত্ত্ব ধরে না।

এই ধরনের অপ্রচলিত সুপারকন্ডাক্টিভিটি গবেষণার অন্যতম তীব্র আগ্রহের বিষয়, কারণ এটি এখনো অনিষ্পন্ন উচ্চ-তাপমাত্রার সুপারকন্ডাক্টিভিটির রহস্য সম্পর্কে সূত্র দিতে পারে। যদি পদার্থবিদেরা বুঝতে পারেন কেন কিছু উপাদান চরম শীতলতা ছাড়াই এমন প্রক্রিয়ায় সুপারকন্ডাক্টিং হয়ে ওঠে, তবে ঘর তাপমাত্রায় বা তার কাছাকাছি সুপারকন্ডাক্ট করা উপকরণ প্রকৌশলগতভাবে তৈরি করার দরজা খুলে যাবে — যা শক্তি পরিবহন, চিকিৎসা চিত্রায়ন, কুয়ান্টাম কম্পিউটিং, এবং অসংখ্য অন্যান্য প্রযুক্তিকে রূপান্তরিত করতে পারে।

উচ্চ-চাপ পদার্থবিজ্ঞানের পরীক্ষামূলক চ্যালেঞ্জ

এই ধরনের সুপারকন্ডাক্টিভিটি প্ররোচিত করতে যে চরম চাপের প্রয়োজন, তার অধীনে উপাদান অধ্যয়ন করা প্রযুক্তিগতভাবে কঠিন। গবেষকেরা সাধারণত ডায়মন্ড অ্যানভিল সেল ব্যবহার করেন — এতে দুইটি রত্ন-মানের হীরার মাঝে একটি ক্ষুদ্র নমুনা রেখে গিগাপাস্কাল এককে পরিমাপ করা চাপ প্রয়োগ করা হয়, যা গ্রহের অভ্যন্তরের গভীরে থাকা অবস্থার অনুকরণ করে। এই পরিস্থিতিতে বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য, বিশেষ করে সুপারকন্ডাক্টিং রূপান্তর, মাপতে অত্যন্ত সংবেদনশীল যন্ত্রপাতি দরকার।

গবেষকেরা বৈদ্যুতিক প্রতিরোধের পরিমাপের সঙ্গে এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন ও অন্যান্য কাঠামোগত প্রোব যুক্ত করে নানা চাপ ও তাপমাত্রাজুড়ে ইলেকট্রনিক আচরণ এবং স্ফটিক কাঠামো উভয়ই অনুসরণ করেছেন। তারা একটি নির্দিষ্ট চাপসীমায় সুপারকন্ডাক্টিভিটির শুরু শনাক্ত করেন এবং আরও চাপ পরিবর্তনের সঙ্গে রূপান্তর তাপমাত্রা কীভাবে পরিবর্তিত হয় তা নির্ণয় করেন। এর ফলস্বরূপ যে ফেজ ডায়াগ্রাম তৈরি হয়েছে, তা প্রতিদ্বন্দ্বী ইলেকট্রনিক অবস্থার এক গল্প বলে, যেটি এখন তাত্ত্বিক পদার্থবিদদের ব্যাখ্যা করতে হবে।

উপাদান আবিষ্কারের ক্ষেত্রে প্রভাব

এই কাজের বিস্তৃত তাৎপর্যের একটি হলো, সম্ভাব্য সুপারকন্ডাক্টিং উপকরণের ক্ষেত্র সম্পর্কে এটি কী বলে। 1986 সালে কপার অক্সাইড যৌগে উচ্চ-তাপমাত্রার সুপারকন্ডাক্টিভিটি আবিষ্কারের পর কয়েক দশক ধরে নতুন সুপারকন্ডাক্টর খোঁজা মূলত অভিজ্ঞতাভিত্তিক ছিল — নতুন যৌগ চেষ্টা করুন, ঠান্ডা করুন, দেখুন প্রতিরোধ শূন্যে নেমে আসে কি না। স্বাভাবিক অবস্থায় কোনো লক্ষণ না দেখানো উপাদানে চাপ সুপারকন্ডাক্টিভিটি আনলক করতে পারে, এই উপলব্ধি অনুসন্ধানের ক্ষেত্রকে নাটকীয়ভাবে বাড়িয়ে দেয়।

শুধু স্পিনেল পরিবারেই মৌলিক উপাদানগত গঠনের বৈচিত্র্যসহ শত শত যৌগ রয়েছে। যদি এই নির্দিষ্ট স্পিনেলে সুপারকন্ডাক্টিভিটি চালিত করার প্রক্রিয়াটি তাত্ত্বিকভাবে বোঝা যায় এবং গণনামূলকভাবে মডেল করা যায়, তাহলে অন্য স্পিনেল যৌগ — এবং সম্ভাব্যভাবে অন্যান্য কাঠামোগত পরিবারও — অনুরূপ সম্ভাবনার জন্য পরীক্ষামূলক চেষ্টা-ত্রুটির বদলে যুক্তিসঙ্গতভাবে স্ক্রিন করা সম্ভব হবে। মেশিন লার্নিং প্রয়োগ করা ম্যাটেরিয়ালস ইনফরমেটিক্স টুল ইতিমধ্যেই চাপের অধীনে অপ্রচলিত সুপারকন্ডাক্টিভিটি দেখাতে পারে এমন যৌগ ভবিষ্যদ্বাণীর জন্য অভিযোজিত হচ্ছে, এবং এই স্পিনেল ফলাফলের পরীক্ষামূলক নিশ্চিতকরণ সেই পদ্ধতিগুলোকে ক্যালিব্রেট করার জন্য নতুন ডেটা পয়েন্ট দেয়।

প্রয়োগে পৌঁছানোর দীর্ঘ পথ

চাপ-প্রণোদিত সুপারকন্ডাক্টিভিটির পরীক্ষাগার আবিষ্কার এবং তার কোনো বাস্তব প্রয়োগের মধ্যকার দূরত্ব সম্পর্কে পরিষ্কার ধারণা রাখা জরুরি। উচ্চ-চাপ সুপারকন্ডাক্টিভিটি এমন শর্ত দাবি করে, যা সংজ্ঞাগতভাবেই বাস্তব ডিভাইসে বজায় রাখা কঠিন। এই গবেষণার সবচেয়ে তাৎক্ষণিক মূল্যবান ফল হলো তাত্ত্বিক — এটি অপ্রচলিত সুপারকন্ডাক্টিভিটির ধাঁধায় একটি নতুন অংশ যোগ করে এবং সম্ভবত স্বাভাবিক অবস্থায় একই ধরনের ইলেকট্রনিক অবস্থা অর্জন করতে পারে এমন উপকরণ নকশার দিকে ইঙ্গিত করে।

সুপারকন্ডাক্টিভিটি গবেষণার ইতিহাস অনেক উপাদানে ধৈর্যশীল পরীক্ষামূলক ও তাত্ত্বিক জ্ঞান সঞ্চয়ের, যার পর মাঝেমধ্যে এমন লাফ আসে যেখানে যৌগের একটি নতুন শ্রেণি অপ্রত্যাশিতভাবে উচ্চতর তাপমাত্রা ও নিম্নতর চাপে উন্মোচিত হয়। নতুন অপ্রচলিত প্রক্রিয়ার প্রতিটি আবিষ্কার, যত্নসহকারে নথিভুক্ত ও গভীরভাবে বোঝা গেলে, সেই লাফগুলোর দিকে এক ধাপ। চাপ-প্রণোদিত সুপারকন্ডাক্টর হিসেবে স্পিনেল স্ফটিকের গোপন জীবন এমনই এক ধাপ।

এই নিবন্ধটি Phys.org-এর প্রতিবেদনের ভিত্তিতে লেখা হয়েছে। মূল নিবন্ধটি পড়ুন.