20 साल के प्रयास के बाद वैज्ञानिकों को मिली सफलता

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20 साल के प्रयास के बाद वैज्ञानिकों को मिली सफलता

एक तस्वीर एक कॉपर ऑक्साइड में पड़ोसी जाली स्थानों में इलेक्ट्रॉनों के बीच अप्रत्याशित रूप से मजबूत आकर्षण दिखाती है, या कालीनों की 1D श्रृंखला – एक ऐसी सामग्री जो अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर बिना किसी नुकसान के विद्युत प्रवाह का संचालन करती है। स्टैनफोर्ड, एसएलएसी और क्लेम्सन के नेतृत्व में किए गए अध्ययन ने 1डी कॉर्पोरेट श्रृंखला में इस असामान्य रूप से मजबूत “निकट-पड़ोसी” आकर्षण की खोज की, जिसे इसके मुक्त इलेक्ट्रॉनों के घनत्व को बढ़ाने के लिए “डोप” किया गया था। उन्होंने कहा कि आकर्षण की अप्रत्याशित ताकत सामग्री के परमाणु जाली में प्राकृतिक कंपन के साथ बातचीत के परिणामस्वरूप हो सकती है, जो कॉर्पोरेट सुपरकंडक्टिविटी में भूमिका निभा सकती है। क्रेडिट: एससीआई-हुआ

जब वैज्ञानिक अपरंपरागत सुपरकंडक्टर्स का अध्ययन करते हैं – जटिल सामग्री जो शून्य नुकसान के साथ अपेक्षाकृत कम तापमान पर बिजली का संचालन करती है – वे अक्सर यह समझने के लिए सरल मॉडल पर भरोसा करते हैं कि क्या हो रहा है।


शोधकर्ताओं को पता है कि ये क्वांटम सामग्री इलेक्ट्रॉनों से अपनी क्षमताओं को प्राप्त करती हैं जो एक प्रकार का इलेक्ट्रॉन सूप बनाने के लिए गठबंधन करती हैं। लेकिन इस प्रक्रिया को इसकी सभी जटिलता में मॉडलिंग करने में अधिक समय और शक्ति की गणना करने में किसी की भी कल्पना नहीं की जा सकती है। तो अपरंपरागत सुपरकंडक्टर्स के एक प्रमुख वर्ग को समझने के लिए – कॉपर ऑक्साइड, या कैप्रेट – शोधकर्ताओं ने सादगी के लिए, एक सैद्धांतिक मॉडल बनाया है जिसमें सामग्री परमाणुओं की एक स्ट्रिंग के रूप में केवल एक आयाम में मौजूद है। उन्होंने प्रयोगशाला में इस एक-आयामी कालीन का निर्माण किया और पाया कि उनका व्यवहार सिद्धांत से बहुत अच्छी तरह सहमत था।

दुर्भाग्य से, इन 1D परमाणु श्रृंखलाओं में एक चीज का अभाव था: उन्हें डोप नहीं किया जा सकता था, एक ऐसी प्रक्रिया जहां कुछ परमाणुओं को दूसरों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है जो चारों ओर घूमने के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या को बदल देते हैं। डोपिंग कई कारकों में से एक है जो वैज्ञानिक इस प्रकार की सामग्रियों के व्यवहार को बदल सकते हैं, और उन्हें अतिचालकता में लाने का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।

अब ऊर्जा विभाग के एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला और स्टैनफोर्ड और क्लेम्सन विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों के नेतृत्व में एक अध्ययन ने पहली 1 डी मिश्रित सामग्री को संश्लेषित किया है जिसे डोप किया जा सकता है। डोप्ड सामग्री के उनके विश्लेषण से पता चलता है कि कैप्रेट्स सुपरकंडक्टिविटी कैसे प्राप्त करते हैं, इसका सबसे महत्वपूर्ण प्रस्तावित मॉडल मुख्य घटक गायब है: सामग्री की परमाणु संरचना, या जाल में पड़ोसी इलेक्ट्रॉनों के बीच एक अप्रत्याशित रूप से मजबूत आकर्षण। यह आकर्षण, उन्होंने कहा, प्राकृतिक जाली कंपन के साथ बातचीत का परिणाम हो सकता है।

टीम ने आज अपने निष्कर्षों की सूचना दी विज्ञान.

स्टैनफोर्ड इंस्टीट्यूट फॉर मैटेरियल्स एंड एनर्जी साइंसेज (SIMES) के एक स्टैनफोर्ड प्रोफेसर और शोधकर्ता ज़ी-ज़ून शेन ने कहा, “एक-आयामी कॉर्पोरेट सिस्टम को नियंत्रित करने में असमर्थता दो दशकों से अधिक समय से इस सामग्री को समझने में एक महत्वपूर्ण बाधा रही है।” एसएलएसी पर।

“अब जब हमने ऐसा कर लिया है,” उन्होंने कहा, “हमारे प्रयोगों से पता चलता है कि हमारे वर्तमान मॉडल ने एक बहुत ही महत्वपूर्ण घटना को याद किया है जो वास्तविक सामग्री में मौजूद है।”

20 साल की कोशिश के बाद वैज्ञानिकों ने वैज्ञानिकों की 1डी श्रृंखला को डोपिंग करने में सफलता हासिल की है

SLAC नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी और स्टैनफोर्ड और क्लेम्सन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं के नेतृत्व में एक अध्ययन में 1D कॉपर ऑक्साइड या कैप्रेट, उनके कुछ इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करने के लिए जंजीरों का उदाहरण। तांबे का परमाणु काला है और ऑक्सीजन परमाणु बैंगनी है। लाल स्प्रिंग्स प्राकृतिक कंपन का प्रतिनिधित्व करते हैं जो परमाणु जाली को हिलाते हैं, जो जाली में पड़ोसी इलेक्ट्रॉनों के बीच अप्रत्याशित रूप से मजबूत आकर्षण (नहीं दिखाया गया) उत्पन्न करने में मदद कर सकता है। यह “निकट-पड़ोसी” आकर्षण अपरंपरागत अतिचालकता में भूमिका निभा सकता है – अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर बिना नुकसान के विद्युत प्रवाह का संचालन करने की क्षमता। श्रेय: ग्रेग स्टीवर्ट / एसएलएसी राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला

शेन की प्रयोगशाला में एक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता ज़ुयू चेन, जिन्होंने अध्ययन के प्रयोगात्मक भाग का नेतृत्व किया, ने कहा कि अनुसंधान एक 3 डी सामग्री में एम्बेडेड 1 डी श्रृंखला बनाने के लिए विकसित प्रणाली द्वारा संभव बनाया गया था और उन्हें सीधे एसएलएसी के स्टैनफोर्ड सिंक्रोट्रॉन में कक्ष में ले जाया गया था। शक्तिशाली एक्स-रे बीम के साथ विश्लेषण के लिए विकिरण रोशनी स्रोत (एसएसआरएल)।

“यह एक अनूठा सेटअप है,” उन्होंने कहा, “और इन बहुत सूक्ष्म प्रभावों को देखने के लिए आवश्यक उच्च-गुणवत्ता वाले डेटा को प्राप्त करना आवश्यक है।”

ग्रिड से जंजीरों तक, सिद्धांत रूप में

इस जटिल सामग्री का अनुकरण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मुख्य मॉडल को हबर्ड मॉडल के रूप में जाना जाता है। अपने 2डी संस्करण में, यह सरल संभव परमाणुओं के एक फ्लैट, समान दूरी वाले ग्रिड पर आधारित है।

लेकिन यह बुनियादी 2डी ग्रिड पहले से ही आज के कंप्यूटरों और एल्गोरिदम को संभालने के लिए बहुत जटिल है, एसएलएसी और स्टैनफोर्ड के प्रोफेसर थॉमस डेवेरेक्स और कार्य के सैद्धांतिक हिस्से की देखरेख करने वाले सिम्स अन्वेषक ने कहा। यह सुनिश्चित करने का कोई स्वीकार्य तरीका नहीं है कि सामग्री के भौतिक गुणों के लिए मॉडल की गणना सही है, इसलिए यह कहना असंभव है कि क्या गणना या सैद्धांतिक मॉडल गलत हो गए यदि वे प्रयोगात्मक परिणामों से मेल नहीं खाते।

उस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने हबर्ड मॉडल को सबसे सरल संभव कॉर्पोरेट मेष 1D श्रृंखलाओं – तांबे और ऑक्सीजन परमाणुओं पर लागू किया है। मॉडल का यह 1डी संस्करण अनडॉप्ड 1डी चेन से बनी सामग्री में इलेक्ट्रॉनों के बड़े पैमाने पर व्यवहार की सटीक गणना और कैप्चर कर सकता है। लेकिन अभी तक, जंजीरों के डोप किए गए संस्करणों के लिए उनकी भविष्यवाणियों की सटीकता का परीक्षण करने का कोई तरीका नहीं है क्योंकि दो दशकों से अधिक के प्रयासों के बावजूद, कोई भी उन्हें प्रयोगशाला में नहीं बना पाया है।

“हमारी मुख्य उपलब्धि इन डोप्ड चेन के संश्लेषण में थी,” चेन ने कहा। “हम उन्हें बहुत विस्तृत श्रृंखला में डोप करने में सक्षम थे और जो हम देख रहे थे उसे पिन करने के लिए व्यवस्थित डेटा प्राप्त करते थे।”

20 साल की कोशिश के बाद वैज्ञानिकों ने वैज्ञानिकों की 1डी श्रृंखला को डोपिंग करने में सफलता हासिल की है

एसएलएसी, स्टैनफोर्ड और क्लेम्सन के शोधकर्ताओं ने डोप्ड 1डी कॉपर ऑक्साइड श्रृंखला से इलेक्ट्रॉनों को निकालने और उनकी दिशा और माप को मापने के लिए यहां दिखाए गए कोण-समाधानित फोटोइम्यूनिटी स्पेक्ट्रोस्कोपी (एआरपीईएस) नामक एक तकनीक का इस्तेमाल किया। इससे उन्हें एक विस्तृत और संवेदनशील तस्वीर मिली कि सामग्री में इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं। यह काम एसएलएसी के स्टैनफोर्ड सिंक्रोट्रॉन रेडिएशन लाइटसोर्स (एसएसआरएल) में विशेष रूप से डिजाइन की गई बीमलाइन पर किया गया था। श्रेय: ज़ुओयू चेन / स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी

एक समय में एक परमाणु स्तर

डोप की गई 1डी श्रृंखला बनाने के लिए, चेन और उनके सहयोगियों ने विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए एसएसआरएल बीमलाइन पर सीलबंद कक्ष के अंदर सहायक सतह पर बेरियम स्ट्रोंटियम कॉपर ऑक्साइड (बीएससीओ) नामक कैप्रेट सामग्री की एक फिल्म का छिड़काव किया। फिल्म में और सतह पर जाली के आकार को इस तरह से व्यवस्थित किया जाता है कि 3D BSCO सामग्री में एम्बेडेड तांबे और ऑक्सीजन की 1D श्रृंखलाएं बनती हैं।

चेन ने कहा कि उन्होंने ओजोन और गर्मी को उजागर करके जंजीरों को गिरा दिया, जिससे उनके परमाणु जाली में ऑक्सीजन के अणु जुड़ गए। प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु ने एक इलेक्ट्रॉन को श्रृंखला से बाहर निकाला, और जारी किए गए इलेक्ट्रॉन अधिक मोबाइल बन गए। जब ये लाखों मुक्त-प्रवाह वाले इलेक्ट्रॉन एक साथ आते हैं, तो वे एक द्रव्यमान अवस्था बना सकते हैं जो अतिचालकता का आधार है।

शोधकर्ताओं ने कोण-समाधानित फोटोमेक्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी, या एआरपीईएस के साथ विश्लेषण के लिए बीमलाइन के दूसरे भाग में अपनी श्रृंखलाएं बंद कर दीं। यह तकनीक इलेक्ट्रॉनों को जंजीरों से निकालती है और उनकी दिशा और ऊर्जा विकिरण को मापती है, जिससे वैज्ञानिकों को एक विस्तृत और संवेदनशील तस्वीर मिलती है कि इलेक्ट्रॉन सामग्री में कैसे व्यवहार करते हैं।

आश्चर्यजनक रूप से मजबूत आकर्षण

अध्ययन के सिद्धांत पक्ष पर काम करने वाले क्लेम्सन विश्वविद्यालय के सहायक प्रोफेसर याओ वांग ने कहा कि उनके विश्लेषण से पता चला है कि डोप्ड 1 डी सामग्री में, पड़ोसी जाली स्थानों में उनके समकक्षों के लिए इलेक्ट्रॉनों का आकर्षण हबर्ड मॉडल की भविष्यवाणी की तुलना में 10 गुना अधिक मजबूत है। .

शोध दल ने सुझाव दिया है कि “निकट-पड़ोसी” आकर्षण का यह उच्च स्तर परमाणु जाली के काम को हिलाकर फोनन-प्राकृतिक कंपन के साथ बातचीत से उत्पन्न हो सकता है। फोनोन को पारंपरिक सुपरकंडक्टिविटी में भूमिका निभाने के लिए जाना जाता है, और ऐसे संकेत हैं कि वे अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी में भी शामिल हो सकते हैं जो कालीन जैसी सामग्रियों में बहुत गर्म तापमान पर होता है, हालांकि यह निर्णायक रूप से सिद्ध नहीं हुआ है।

वैज्ञानिकों ने कहा कि यह संभव है कि इलेक्ट्रॉनों के बीच यह मजबूत निकट-पड़ोसी आकर्षण सभी कैप्रेट में मौजूद हो और हबर्ड मॉडल के 2 डी संस्करण में सुपरकंडक्टिविटी को समझने में मदद कर सके और वैज्ञानिकों को इस गूढ़ सामग्री की पूरी तस्वीर दे सके।


निकल चुंबकत्व के पहले अध्ययन में कॉर्पोरेट सुपरकंडक्टर्स के साथ मजबूत संबंध पाया गया


और जानकारी:
डोप्ड 1डी कॉर्पोरेट श्रृंखलाओं में एक करीबी पड़ोसी का आकर्षक आकर्षण, विज्ञान (२०२१)। www.science.org/doi/10.1126/science.abf5174

स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय द्वारा प्रदान किया गया

गुणों का वर्ण – पत्र: 20 वर्षों के प्रयास के बाद, वैज्ञानिकों ने कॉर्पोरेट की 1D श्रृंखला को डोपिंग करने में सफलता प्राप्त की है .html

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