कोबाल्ट में छिपे थे कमरे के तापमान पर टिकने वाले क्वांटम अवस्थाएँ

कोबाल्ट धरती के सबसे गहराई से अध्ययन किए गए चुम्बकों में से एक है, वह तत्व जो पाठ्यपुस्तकें भर देता है और बैटरियों से लेकर जेट इंजनों तक हर जगह दिखता है। बर्लिन के हेल्महोल्ट्ज़-त्सेंट्रुम (Helmholtz-Zentrum Berlin) के भौतिकविदों ने अब पाया कि यह विचित्र इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं का एक घना जाल छिपाए हुए था, और यह जाल कमरे के तापमान पर भी बना रहता है।

इन अवस्थाओं को चुम्बकीय नोडल रेखाएँ कहते हैं। ये वे जगहें हैं जहाँ अपने स्पिन की दिशा के अनुसार बँटी इलेक्ट्रॉनों की दो धाराएँ टकराए बिना एक-दूसरे को पार करती हैं और अलग-अलग बिंदुओं पर मिलने के बजाय क्रिस्टल के भीतर सतत रास्ते खींचती हैं। ऐसे गुण टोपोलॉजी से आते हैं, भौतिकी की वह शाखा जो किसी पदार्थ की संरचना में इतने गहरे रचे-बसे लक्षणों का वर्णन करती है कि सामान्य गड़बड़ियाँ उन्हें मिटा नहीं पातीं। कोबाल्ट में दल ने ये क्रॉसिंग किसी दुर्लभ कोने में सिमटी नहीं, बल्कि पूरे धातु में बुनी हुई पाईं।

हैरान करने वाली बात सिर्फ़ यह नहीं कि ये अवस्थाएँ मौजूद हैं, बल्कि यह कि वे एक आम कमरे की गरमाहट झेल जाती हैं। भौतिकविद जिस क्वांटम व्यवहार के पीछे भागते हैं, उसका ज़्यादातर हिस्सा केवल परम शून्य के पास ही दिखता है, जहाँ ऊष्मा हटा दी जाती है और नाज़ुक प्रभाव आख़िरकार दिखाई देते हैं। कोबाल्ट की नोडल रेखाएँ उससे सैकड़ों डिग्री ऊपर भी बनी रहती हैं, और यही फ़र्क है एक प्रयोगशाला की जिज्ञासा और किसी सचमुच के उपकरण में काम आने वाली चीज़ के बीच।

इन्हें देखने के लिए शोधकर्ताओं ने कोण- और स्पिन-विभेदित फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी का इस्तेमाल किया, एक तकनीक जो रोशनी से किसी पदार्थ से इलेक्ट्रॉन झटक देती है और उनकी ऊर्जा तथा स्पिन की दिशा, दोनों दर्ज करती है। उन्होंने यह काम BESSY II पर किया, बर्लिन का एक सिंक्रोट्रॉन जो माप की माँग के मुताबिक तीव्र और बारीकी से सधी रोशनी देता है। इस अतिरिक्त बारीकी ने उन्हें कोबाल्ट की इलेक्ट्रॉनिक संरचना का पहले से कहीं ज़्यादा विस्तृत नक्शा बनाने दिया, और इसी तरह दशकों से अनदेखा रहा एक जाल आख़िरकार सामने आ गया।

“व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए जिस तरह की चालू-बंद कार्यक्षमता चाहिए, यह ठीक वही है,” अंतरराष्ट्रीय दल का नेतृत्व करने वाले हाइमे सांचेज़-बैरिगा कहते हैं। चूँकि ये अवस्थाएँ कोबाल्ट के चुम्बकत्व से जुड़ी हैं, किसी चुम्बकीय क्षेत्र की दिशा पलटकर इन्हें संचालित किया जा सकता है, एक ऐसा नियंत्रण जो इंजीनियर स्पिन्ट्रॉनिक्स के लिए चाहते हैं, यानी ऐसी इलेक्ट्रॉनिकी जो जानकारी आवेश के बजाय इलेक्ट्रॉन के स्पिन में दर्ज करती है और तेज़, कम गरम होने वाली चिप का वादा करती है।

यह काम किसी पदार्थ के गुणों का माप है, कोई चालू उपकरण नहीं, और यह दूरी बड़ी है। सिंक्रोट्रॉन की किरण के नीचे किसी क्रिस्टल में टोपोलॉजिकल अवस्थाओं का नक्शा बनाना, बड़े पैमाने पर उनका इस्तेमाल करने वाली चिप बनाने से बहुत दूर है, और दूसरे समूहों को इस नतीजे को दोहराना होगा और जाँचना होगा कि क्या यह प्रभाव सावधानी से तैयार किए गए नमूनों के बाहर भी टिकता है। लेखक कोबाल्ट को एक तैयार तकनीक नहीं, बल्कि खोजने लायक एक समायोज्य मंच बताते हैं।

फिर भी, इसका कुछ आकर्षण इसी में है कि कोबाल्ट इतना आम है। जो पदार्थ पहले से ही खनित, परिष्कृत और औद्योगिक पैमाने पर बनाया जाता है, उसे अपनाना उन दुर्लभ या नाज़ुक यौगिकों की तुलना में कहीं आसान होगा जो क्वांटम शोध पर हावी हैं।

नतीजे Communications Materials पत्रिका में छपे। दल यह नक्शा बनाने की योजना रखता है कि चुम्बकीय क्षेत्र घुमाने पर नोडल रेखाएँ कैसे प्रतिक्रिया देती हैं, यह जानने की दिशा में अगला कदम कि कोबाल्ट की छिपी संरचना को काम पर लगाया जा सकता है या नहीं।

टैग: physics