दुर्लभ पदार्थ में रुकने से इनकार करती क्वांटम तरंगें

ब्राज़ील और अमेरिका के भौतिकविदों ने ज़िर्कोनियम पेंटाटेल्यूराइड (ZrTe5) नामक एक दुर्लभ पदार्थ में एक अप्रत्याशित क्वांटम प्रभाव देखा है, जिसमें विद्युत प्रतिरोध ऐसे तेज़ चुंबकीय क्षेत्र में भी उतार-चढ़ाव करता रहा, जहां पारंपरिक सिद्धांत के अनुसार यह रुक जाना चाहिए था। यह निष्कर्ष नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं। ये प्रयोग लगभग परम शून्य तापमान, यानी करीब 0.7 केल्विन (-272.45°C) पर, 60 टेस्ला तक के चुंबकीय क्षेत्रों में किए गए। इस काम में साओ पाउलो विश्वविद्यालय (USP, ब्राज़ील), लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी, वाशिंगटन विश्वविद्यालय और अन्य अमेरिकी संस्थानों के शोधकर्ता शामिल थे।

ZrTe5 एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर है, ऐसा पदार्थ जिसका भीतरी हिस्सा बिजली नहीं चलाता, लेकिन जिसकी सतह बिजली का संचालन कर सकती है। यह खासियत पदार्थ के इलेक्ट्रॉन बैंड की टोपोलॉजी यानी उसकी समग्र क्वांटम संरचना से आती है। ZrTe5 अलग-अलग टोपोलॉजिकल अवस्थाओं के बीच की सीमा के बेहद करीब है, इसलिए तापमान, चुंबकीय क्षेत्र, यांत्रिक दबाव या संरचना में छोटे बदलाव भी इसे बहुत संवेदनशील बना देते हैं, जिससे यह टोपोलॉजिकल अवस्था-परिवर्तन के अध्ययन के लिए उपयोगी पदार्थ बन जाता है।

आमतौर पर, एक मज़बूत चुंबकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को लैंडाउ स्तर नामक अलग-अलग ऊर्जा अवस्थाओं में धकेल देता है। शुद्ध धातुओं में, जब ये स्तर फर्मी स्तर, यानी भरी और खाली इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं के बीच की सीमा, को पार करते हैं, तो प्रतिरोध नियमित रूप से बढ़ता-घटता है, जिसे शुब्निकोव-दे हास तरंगें कहा जाता है। जिस बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र इतना तेज़ हो जाए कि सभी इलेक्ट्रॉन सबसे निचले लैंडाउ स्तर में पहुंच जाएं, जिसे क्वांटम सीमा कहा जाता है, वहां ये तरंगें रुक जानी चाहिए। लेकिन ZrTe5 में तरंगों ने सामान्य क्रम का पालन नहीं किया और उस सीमा को पार करने के बाद भी जारी रहीं।

शोधकर्ता इसे पुनरागामी लैंडाउ स्तर (reentrant Landau levels) कहते हैं। ZrTe5 में तेज़ स्पिन-ऑर्बिट युग्मन के कारण, इलेक्ट्रॉनों की कक्षीय गति से आने वाली साइक्लोट्रॉन ऊर्जा और उनके स्पिन से जुड़े ज़ीमन प्रभाव को अलग-अलग नहीं देखा जा सकता। चुंबकीय क्षेत्र बदलने पर ऊर्जा स्तर सीधी रेखा में नहीं बदलते, बल्कि मुड़कर फिर से फर्मी स्तर को पार कर सकते हैं, जिससे अतिरिक्त तरंगें पैदा होती हैं। शोधपत्र के प्रमुख लेखक और साओ पाउलो विश्वविद्यालय के भौतिकी संस्थान में ज़ूलियो लारेया हिमेनेज़ के मार्गदर्शन में डॉक्टरेट कर रहे कावे काउफ़मन रिबेइरो ने कहा, 'टोपोलॉजिकल अवस्था-परिवर्तन के करीब के पदार्थों में इलेक्ट्रॉन धातु के भीतर सामान्य कणों जैसा व्यवहार करना बंद कर सकते हैं।'

अध्ययन का एक मुख्य सवाल यह था कि क्या यह प्रभाव कई इलेक्ट्रॉनों के बीच सामूहिक अंतःक्रिया से आया, या पदार्थ की मूल टोपोलॉजी से। शोधकर्ताओं ने पाया कि तेज़ स्पिन-ऑर्बिट युग्मन वाला त्रि-आयामी डिराक हैमिल्टोनियन पर आधारित एक एकल-कण मॉडल प्रयोगात्मक नतीजों को सफलतापूर्वक दोहराता है, जिससे स्पष्ट हुआ कि इस प्रभाव के लिए इलेक्ट्रॉनों के बीच परस्पर क्रिया ज़रूरी नहीं है।