अनोखे पदार्थ में न मिटने वाले क्वांटम दोलन खोजे भौतिकविदों ने

भौतिकविदों ने त्रि-आयामी टोपोलॉजिकल इंसुलेटर नामक पदार्थ में एक अप्रत्याशित प्रकार का क्वांटम दोलन खोजा है। यह ऐसा पदार्थ है जो अंदर से विद्युत का कुचालक होता है, लेकिन इसकी सतह बिजली का संचालन करती है। नेचर कम्युनिकेशन्स में प्रकाशित इस अध्ययन का नेतृत्व ब्राज़ील के साओ पाउलो विश्वविद्यालय (USP), लॉस अलामोस नेशनल लेबोरेटरी और यूनिवर्सिटी ऑफ वाशिंगटन के शोधकर्ताओं ने किया। यह अध्ययन ज़िरकोनियम पेंटाटेलुराइड, यानी ZrTe5 नामक पदार्थ पर केंद्रित था।

टीम ने 60 टेस्ला तक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों और 0.7 केल्विन (-272.45°C) के करीब तापमान पर विद्युत चालन प्रयोग किए। इसे उन्होंने सैद्धांतिक गणनाओं के साथ जोड़ा। चुंबकीय क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन लैंडाऊ स्तर नामक कुछ निश्चित ऊर्जा मानों तक सीमित हो जाते हैं। जब कोई लैंडाऊ स्तर फर्मी स्तर को पार करता है, यानी भरे और खाली इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं के बीच की सीमा, तो विद्युत प्रतिरोध में एक दोलन पैदा होता है। ये दोलन आमतौर पर एक अनुमानित पैटर्न का पालन करते हैं। "क्वांटम सीमा" नामक एक बिंदु के बाद चुंबकीय क्षेत्र बढ़ने पर ये गायब हो जाने चाहिए। लेकिन ZrTe5 में शोधकर्ताओं ने पाया कि ये दोलन इस पैटर्न का पालन नहीं करते और क्वांटम सीमा के आगे भी जारी रहते हैं।

मुख्य लेखक काउए कॉफमैन रिबेरो ने बताया कि इस पदार्थ के इलेक्ट्रॉन डिराक फर्मियॉन जैसे सापेक्षिक कणों से मिलते-जुलते क्वासि-कणों की तरह व्यवहार करते हैं। इनमें स्पिन की केंद्रीय भूमिका होती है। रिबेरो ने ज्यादातर प्रायोगिक कार्य लॉस अलामोस स्थित नेशनल हाई मैग्नेटिक फील्ड लेबोरेटरी में इंटर्नशिप के दौरान किया। उन्होंने कहा कि मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लगाने पर स्पिन और चुंबकीय क्षेत्र के बीच की परस्पर क्रिया इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों को गहराई से बदल देती है। उन्होंने यह भी बताया कि कुछ लैंडाऊ स्तर "वापस लौटकर" फर्मी स्तर को फिर से पार कर सकते हैं। टीम इसे "रीएंट्रेंट लैंडाऊ स्तर" कहती है।

शोधकर्ताओं ने जांचा कि यह प्रभाव कई इलेक्ट्रॉनों के बीच सामूहिक परस्पर क्रिया से आया या पदार्थ के अंतर्निहित टोपोलॉजिकल गुणों से। उन्होंने पाया कि एक सिंगल-पार्टिकल मॉडल ही उनके प्रायोगिक नतीजों को दोबारा दिखाने के लिए काफी था। USP भौतिकी संस्थान के प्रोफेसर और रिबेरो के डॉक्टरल सलाहकार जूलियो लारिया हिमेनेज़ ने कहा, "हमने पाया कि यह प्रभाव कई-कणों की परस्पर क्रिया से नहीं, बल्कि इलेक्ट्रॉन बैंड की महत्वपूर्ण टोपोलॉजी से आता है।"