प्रतिरोध बदलने को अपना तापमान 'लॉक' करता क्रिस्टल: भौतिकविदों की खोज

कोई पदार्थ बिजली के प्रवाह में धात्विक अवस्था से इंसुलेटिंग अवस्था में कैसे बदलता है, इसके भीतर क्या होता है, यह भौतिकविदों ने विस्तार से दर्ज किया है। भविष्य की कंप्यूटर मेमोरी और मस्तिष्क जैसी सोचने वाली कंप्यूटिंग तकनीकों के लिए यह महत्वपूर्ण है। जापान की टोक्यो यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस (TUS) के एप्लाइड फिजिक्स विभाग के प्रोफेसर तेत्सुआकी इतो के नेतृत्व में यह शोध हुआ। इसके नतीजे फिजिकल रिव्यू एप्लाइड पत्रिका में प्रकाशित हुए और इसे संपादकों की विशेष अनुशंसा के तौर पर चुना गया।

कुछ पदार्थ तापमान जैसी परिस्थितियां बदलने पर कम प्रतिरोध वाली धात्विक अवस्था से अधिक प्रतिरोध वाली इंसुलेटिंग अवस्था में बदल जाते हैं, जिसे 'मेटल-इंसुलेटर ट्रांज़िशन' (MIT) कहा जाता है। इस बदलाव के बिंदु के पास, बिजली प्रवाहित करने पर प्रतिरोध अचानक, पलटने योग्य तरीके से घट जाता है, जिसे 'रेज़िस्टिव स्विचिंग' कहते हैं। यह प्रतिरोधक मेमोरी, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और मस्तिष्क जैसे काम करने वाली न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी है, जो आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस के लिए महत्वपूर्ण है। बिजली बहने पर पदार्थ में बनने वाली गर्मी, यानी जूल हीटिंग की इसमें भूमिका होना तो पता था, पर यह गर्मी बदली हुई अवस्था को कैसे स्थिर रखती है, यह स्पष्ट नहीं था। इसकी वजह यह थी कि ज़्यादातर पुराने अध्ययन पतली परतों पर किए गए थे, जहां गर्मी तेज़ी से नीचे के आधार में चली जाती है।

इस समस्या से बचने के लिए, TUS के नेतृत्व वाली टीम ने (d7-DMe-DCNQI)2Cu नाम के एक बड़े ऑर्गेनिक कंडक्टर के सुई जैसे क्रिस्टल का अध्ययन किया। इसमें नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर मैटीरियल्स साइंस, इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस टोक्यो और रिकेन के शोधकर्ता भी शामिल थे। इस क्रिस्टल को हीलियम गैस से भरी एक ट्यूब में लटकाया गया, ताकि यह केवल गैस और जोड़ने वाले तारों के ज़रिए ही धीरे-धीरे गर्मी खो सके। इस पदार्थ में एक असामान्य रूप से तीखा मेटल-इंसुलेटर ट्रांज़िशन है। यह 79 केल्विन से ऊपर धात्विक और 78 केल्विन से नीचे इंसुलेटिंग अवस्था में रहता है।

शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल में 0.3, 0.5 और 2.0 मिलिएम्पियर की तीन अलग-अलग धाराएं प्रवाहित कीं और तापमान बदलने पर उसका प्रतिरोध मापा। केवल 2.0 मिलिएम्पियर की धारा ने जांचे गए सबसे कम तापमान तक एक मध्यवर्ती प्रतिरोध अवस्था को स्थिर रखा। प्रोटॉन न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेज़ोनेंस मापन से उन्होंने दिखाया कि यह मध्यवर्ती अवस्था धात्विक और इंसुलेटिंग हिस्सों के एक साथ मौजूद रहने की स्थिति है। जूल हीटिंग क्रिस्टल के तापमान को आसपास के तापमान से ऊपर उठाकर उसे ट्रांज़िशन तापमान के पास 'लॉक' कर देती है, जिसे 'तापमान-लॉकिंग' प्रभाव कहा गया। इस अवस्था में पदार्थ ने वोल्टेज और धारा के बीच उल्टा संबंध भी दिखाया, यानी ओम के नियम से उलटा व्यवहार।

शोधकर्ताओं का कहना है कि क्रिस्टल के भीतर एक धात्विक तंतु खुद-ब-खुद व्यवस्थित होकर बनता है। यह लगाई गई धारा बदलने पर मोटा या पतला होकर जूल हीटिंग को गर्मी के नुकसान के बराबर संतुलित रखता है। टीम का कहना है कि यह खोज इस तरह की स्विचिंग पर निर्भर अधिक टिकाऊ और कुशल उपकरण डिज़ाइन करने में मदद कर सकती है।