स्पिनेल क्रिस्टल संरचनेत असामान्य दाब-प्रेरित अतिचालकता आढळली

अनपेक्षित ठिकाणी अतिचालकता

अतिचालकता — एखादा पदार्थ पूर्णतः शून्य प्रतिरोधासह विद्युत प्रवाह वाहतो ती घटना — 1911 मध्ये तिचा शोध लागल्यापासून भौतिकशास्त्रज्ञांना मोहित करत आली आहे. तिच्या वैज्ञानिक इतिहासाचा बहुतांश काळ अतिचालकता ही कमी तापमानाची घटना म्हणून समजली गेली: एखाद्या पदार्थाला परिपूर्ण शून्य तापमानाच्या जवळ थंड केल्यास, त्यातील इलेक्ट्रॉन्स समन्वित जोड्यांमध्ये संघटित होतात आणि पदार्थाच्या जाळी-संरचनेतून प्रसरण न होता किंवा ऊर्जा न गमावता हालचाल करतात. या वर्तनाचे स्पष्टीकरण देणारी सैद्धांतिक चौकट, तिचे विकासक बार्डीन, कूपर आणि श्रिफर यांच्या नावावरून BCS सिद्धांत म्हणून ओळखली जाते, आणि तिने पारंपरिक अतिचालकांचे स्पष्टीकरण देण्यात विलक्षण यश मिळवले आहे.

परंतु निसर्ग क्वचितच त्याच्या सर्वात सोयीस्कर स्पष्टीकरणांपुरताच मर्यादित असतो. एका नव्या अभ्यासाने स्पिनेल क्रिस्टल संरचना असलेल्या पदार्थात दाब-प्रेरित अतिचालकतेचे एक ठळक उदाहरण नोंदवले आहे — ही अणूंची अशी मांडणी आहे जी खनिजे आणि कृत्रिम संयुगांच्या विस्तृत कुटुंबात आढळते — आणि जी BCS सिद्धांत सहजपणे भाकीत करत नाही अशा प्रकारे वर्तन करते. या पदार्थातील अतिचालकता केवळ थंड केल्याने नव्हे, तर उच्च दाब लागू केल्याने उदयास येते, आणि तेही अशा रीतीने की त्यामागे असामान्य इलेक्ट्रॉनिक यंत्रणा कार्यरत असल्याचा संकेत मिळतो.

ही शोधलागवड महत्त्वाची का आहे

स्पिनेल संरचना ही AB2X4 या सामान्य सूत्राची संयुगे आहेत, जिथे A आणि B हे धातवी धनायन असतात आणि X सामान्यतः ऑक्सिजन किंवा सल्फर असतो. ही संयुगे निसर्गात सामान्यपणे आढळतात — स्पिनेल हे रत्न, तसेच मॅग्नेटाइट आणि क्रोमाइट, या कुटुंबातीलच आहेत — आणि त्यांच्या चुंबकीय व इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांसाठी त्यांचा मोठ्या प्रमाणावर अभ्यास केला जातो. दाबाखाली एखाद्या स्पिनेल संयुगात अतिचालकता आढळणे हे केवळ त्या घटनेच्या अस्तित्वामुळेच नव्हे, तर ती ज्या विशिष्ट प्रकारे प्रकट होते त्यामुळेही उल्लेखनीय आहे.

पारंपरिक दाब-प्रेरित अतिचालकांमध्ये दाब सामान्यतः क्रिस्टल जाळीची भूमिती बदलून कार्य करतो — अणूंना अधिक जवळ आणून इलेक्ट्रॉन-फोनॉन संयोगात बदल घडवतो, जो कूपर जोड्यांच्या निर्मितीसाठी जबाबदार असतो. संशोधकांनी या स्पिनेल संयुगात जे निरीक्षण केले ते या चौकटीत सरळ बसत नाही. दाब अधिक गुंतागुंतीचे इलेक्ट्रॉनिक पुनर्घटन घडवून आणत असल्याचे दिसते, ज्यामध्ये कदाचित ऑर्बिटल स्वातंत्र्य-अंश किंवा स्पर्धात्मक चुंबकीय आणि अतिचालक क्रमपरिमाणे सहभागी असू शकतात, जे मानक BCS सिद्धांत पकडत नाही.

या प्रकारची अपारंपरिक अतिचालकता हा तीव्र संशोधनाचा विषय आहे, कारण ती उच्च-तापमान अतिचालकतेच्या अद्याप न सुटलेल्या रहस्याविषयी काही सूचनाही देऊ शकते. जर भौतिकशास्त्रज्ञांना हे समजले की काही पदार्थ अत्यंत थंड करणे आवश्यक नसलेल्या यंत्रणांमुळे अतिचालक कसे होतात, तर कक्ष तापमानावर किंवा त्याच्या जवळ अतिचालकता दर्शविणारे पदार्थ अभियांत्रिकीद्वारे घडवण्याचा मार्ग खुला होऊ शकतो — आणि ऊर्जा वहन, वैद्यकीय प्रतिमांकन, क्वांटम संगणन तसेच असंख्य इतर तंत्रज्ञानांमध्ये क्रांतिकारक बदल घडू शकतो.

उच्च-दाब भौतिकशास्त्रातील प्रायोगिक आव्हान

या प्रकारची अतिचालकता निर्माण करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या अत्यंत दाबाखाली पदार्थांचा अभ्यास करणे तांत्रिकदृष्ट्या कठीण असते. संशोधक सामान्यतः डायमंड अँव्हिल सेल्स वापरतात — अशी उपकरणे जी अतिशय लहान नमुना दोन रत्न-गुणवत्तेच्या हिऱ्यांमध्ये ठेवून त्याला गिगापास्कलमध्ये मोजल्या जाणाऱ्या दाबापर्यंत दाबतात, ज्यामुळे ग्रहांच्या अंतर्भागात आढळणाऱ्या परिस्थितींची नक्कल होते. या परिस्थितींमध्ये विद्युत गुणधर्म, विशेषतः अतिचालक संक्रमण, मोजण्यासाठी अतिशय संवेदनशील उपकरणांची गरज असते.

संशोधकांनी विद्युत प्रतिरोध मापनांसह क्ष-किरण विवर्तन आणि इतर संरचनात्मक तपासण्या एकत्र करून विविध दाब आणि तापमानांमध्ये इलेक्ट्रॉनिक वर्तन आणि क्रिस्टल संरचना दोन्हींचा मागोवा घेतला. त्यांनी एका विशिष्ट दाबमर्यादेवर अतिचालकतेची सुरुवात ओळखली आणि पुढील दाबबदलांबरोबर संक्रमण तापमान कसे बदलते हे वर्णन केले. परिणामी तयार झालेला टप्पा आलेख स्पर्धात्मक इलेक्ट्रॉनिक अवस्थांची कहाणी सांगतो, ज्याचे स्पष्टीकरण सैद्धांतिक भौतिकशास्त्रज्ञांना आता द्यावे लागेल.

सामग्री शोधासाठी परिणाम

या कामाचा व्यापक अर्थ असा आहे की संभाव्य अतिचालक पदार्थांचे क्षेत्र किती विस्तृत आहे. 1986 मध्ये तांबे-ऑक्साइड संयुगांमध्ये उच्च-तापमान अतिचालकतेच्या शोधानंतर अनेक दशकांपर्यंत नव्या अतिचालकांचा शोध मुख्यतः अनुभवाधारित होता — नवीन संयुग वापरून पाहा, ते थंड करा, प्रतिरोध शून्यावर जातो का ते पहा. वातावरणीय परिस्थितीत कोणतेही लक्षण न दाखवणाऱ्या पदार्थांमध्ये दाब अतिचालकता उघड करू शकतो, ही जाणीव शोधाच्या अवकाशात प्रचंड वाढ करते.

फक्त स्पिनेल कुटुंबातच रासायनिक घटकांच्या वेगवेगळ्या संयोजनांसह शेकडो संयुगे समाविष्ट आहेत. जर या विशिष्ट स्पिनेलमध्ये अतिचालकता चालविणारी यंत्रणा सैद्धांतिकदृष्ट्या समजली आणि संगणकीयरीत्या मॉडेल केली गेली, तर इतर स्पिनेल संयुगे — आणि संभाव्यतः इतर संरचनात्मक कुटुंबे — अशाच शक्यतेसाठी यादृच्छिक चाचपडण्याऐवजी तर्कसंगत पद्धतीने तपासता येतील. पदार्थ शोधासाठी मशीन लर्निंग वापरणारी मटेरियल्स इन्फॉर्मॅटिक्स साधने आधीच दाबाखाली अपारंपरिक अतिचालकता दर्शवू शकणारी संयुगे भाकीत करण्यासाठी अनुकूलित केली जात आहेत, आणि या स्पिनेल परिणामाच्या प्रायोगिक पुष्टीमुळे त्या पद्धतींचे मोजमाप करण्यासाठी नवीन डेटा-बिंदू मिळतो.

अनुप्रयोगाकडे लांब प्रवास

दाब-प्रेरित अतिचालकतेच्या प्रयोगशाळा शोध आणि कोणत्याही व्यावहारिक अनुप्रयोगामधील अंतर किती मोठे आहे, याबाबत वास्तवदर्शी राहणे महत्त्वाचे आहे. उच्च-दाब अतिचालकतेसाठी अशा अटी आवश्यक असतात ज्या वास्तवातील उपकरणांमध्ये टिकवणे स्वभावतः अवघड आहे. या संशोधनाचा सर्वात तात्काळ उपयुक्त परिणाम सैद्धांतिक आहे — तो अपारंपरिक अतिचालकतेच्या कोड्यात एक नवा तुकडा जोडतो आणि कदाचित वातावरणीय परिस्थितीत समान इलेक्ट्रॉनिक अवस्था प्राप्त करणाऱ्या पदार्थांच्या रचनेकडे निर्देश करतो.

अतिचालकता संशोधनाचा इतिहास म्हणजे अनेक पदार्थांमध्ये प्रायोगिक आणि सैद्धांतिक समजुतीचे संयमी संचयन, आणि त्यानंतर अधूनमधून होणाऱ्या अशा झेपांचा इतिहास आहे, ज्यात संयुगांचा एक नवा वर्ग अनपेक्षितपणे उच्च तापमानांवर आणि कमी दाबांवर खुला होतो. प्रत्येक नव्या अपारंपरिक यंत्रणेचा शोध, काळजीपूर्वक नोंदवलेला आणि सखोलपणे समजलेला, अशा झेपांकडे नेणारे एक पाऊल आहे. स्पिनेल क्रिस्टलचे दाब-प्रेरित अतिचालक म्हणून असलेले गुप्त जीवन हे असेच एक पाऊल आहे.

हा लेख Phys.org च्या वार्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.