இல் ஆய்வு நடத்தப்பட்டது இயற்கையின் தொடர்பு முப்பரிமாண இடவியல் இன்சுலேட்டரில் குவாண்டம் அதிர்வின் அசாதாரண வடிவத்தைக் கண்டுபிடித்தார். சிர்கோனியம் பென்டடெல்லூரைடில் உள்ள எலக்ட்ரான்கள் (ZrTe5) முற்றிலும் பூஜ்ஜியத்திற்கு நெருக்கமான வெப்பநிலை மற்றும் மிகவும் வலுவான காந்தப்புலங்களுக்கு வெளிப்படும் போது எதிர்பாராத விதமாக நடந்து கொள்ளலாம்.
பிரேசிலில் உள்ள சாவோ பாலோ பல்கலைக்கழகம் (USP), லாஸ் அலமோஸ் தேசிய ஆய்வகம், வாஷிங்டன் பல்கலைக்கழகம் மற்றும் பிற அமெரிக்க நிறுவனங்களின் விஞ்ஞானிகள் இந்த ஆராய்ச்சிக்கு தலைமை தாங்கினர். 60 டெஸ்லா வரையிலான காந்தப்புலங்களில் மற்றும் 0.7 கெல்வின் (-272.45 °C) வெப்பநிலையில் விரிவான கோட்பாட்டு கணக்கீடுகளுடன் மின் கடத்தல் சோதனைகளை குழு இணைத்தது.
“இந்த வேலை பொருளின் கவர்ச்சியான கட்டங்களில் எலக்ட்ரான் போக்குவரத்தைப் பற்றிய நமது புரிதலை விரிவுபடுத்துகிறது மற்றும் இடவியல் மின்கடத்திகள் மின்சார கட்டணத்தை மட்டுமல்ல, மற்றொரு அளவிலான சுதந்திரத்தையும் கொண்டு செல்வதை ஆதரிக்கின்றன என்பதைக் காட்டுகிறது” என்கிறார் யுஎஸ்பி இன்ஸ்டிடியூட் ஆப் இயற்பியல் (IF) பேராசிரியரும், ExLQantumC ஆய்வகத்தின் (ExLQMMEC) இணை நிறுவனரும் இயக்குனருமான ஜூலியோ லாரியா ஜிமெனெஸ்.
ஆய்வின் முதல் ஆசிரியரான Cauê Kaufmann Ribeiro வின் முனைவர் பட்ட ஆலோசகராக Larrea பணியாற்றினார். ரிபேரோ அமெரிக்காவின் லாஸ் அலமோஸில் உள்ள தேசிய காந்தப்புல ஆய்வகத்தில் இன்டர்ன்ஷிப்பின் போது பெரும்பாலான சோதனை வேலைகளை செய்தார், வெளிநாடுகளில் உள்ள FAPESP ஆராய்ச்சி பயிற்சியின் ஆதரவுடன். அங்கு அவர் ஜோஹன்னா பாம்ஸ்ட்ராம் மற்றும் சீன் தாமஸ் ஆகியோரால் வழிகாட்டப்பட்டார்.
இரண்டு மின்னணு அடையாளங்களைக் கொண்ட பொருள்
இடவியல் இன்சுலேட்டர்கள் அசாதாரண பண்புகளைக் கொண்டுள்ளன. அவற்றின் உள் பாகங்கள் மின் இன்சுலேட்டர்களாக செயல்படுகின்றன, அதே நேரத்தில் அவற்றின் மேற்பரப்பு மின்சாரத்தை கடத்தும். இந்த நடத்தை அவர்களின் மின்னணு இசைக்குழு இடவியல் இருந்து எழுகிறது, இது படிக சமச்சீர் மூலம் பாதுகாக்கப்பட்ட மின்னணு நிலைகளின் குவாண்டம் கட்டமைப்பின் பரந்த அம்சங்களை விவரிக்கிறது.
ZrTe5 இந்த வகை இயற்பியல் ஆய்வுக்கு இது மிகவும் மதிப்புமிக்கது, ஏனெனில் இது வெவ்வேறு இடவியல் கட்டங்களைப் பிரிக்கும் எல்லைக்கு அருகில் அமைந்துள்ளது. வெப்பநிலை, இயந்திர சிதைவு, இரசாயன கலவை அல்லது காந்தப்புலம் ஆகியவற்றில் சிறிய மாற்றங்கள் அதன் மின்னணு நடத்தையை கணிசமாக மாற்றும். இந்த உணர்திறன் ZrTe ஐ உருவாக்கியுள்ளது5 திடப்பொருளில் உள்ள இடவியல் கட்ட மாற்றங்கள் மற்றும் சார்பியல் அரை துகள்கள் பற்றிய ஆய்வுக்கு முக்கியமான பொருள்.
எலக்ட்ரான்கள் ஒரு காந்தப்புலத்தின் வழியாக நகரும் போது, அவற்றின் ஆற்றல் ஆற்றல்கள் ஒரு நிலையான வரம்பை உருவாக்காது. குவாண்டம் இயக்கவியல், சோவியத் இயற்பியலாளரும் கணிதவியலாளருமான லெவ் லாண்டவ் (1908-1968) என்பவரின் பெயரால் பெயரிடப்பட்ட லாண்டாவ் நிலைகள் எனப்படும் குறிப்பிட்ட ஆற்றல் மதிப்புகளுக்கு அவற்றைக் கட்டுப்படுத்துகிறது.
மிகவும் தூய உலோகங்களில், இந்த Landau நிலைகள் ஆக்கிரமிக்கப்பட்ட மற்றும் ஆக்கிரமிக்கப்படாத மின்னணு நிலைகளுக்கு இடையிலான ஆற்றல் எல்லையான ஃபெர்மி அளவை மீண்டும் மீண்டும் கடக்க முடியும். எந்தவொரு கடக்கும் மின்சார எதிர்ப்பில் அலைவுகளை ஏற்படுத்தும். ஷுப்னிகோவ்-டி ஹாஸ் அலைவுகள் என அறியப்படும் இந்த விளைவுகள், பொதுவாக 1/B இல் கணிக்க முடியாத கால இடைவெளியைப் பின்பற்றுகின்றன, அங்கு B என்பது காந்தப்புலத்தைக் குறிக்கிறது.
மறைய மறுத்த குவாண்டம் பாய்ச்சல்
ஆராய்ச்சியாளர்கள் ZrTe என்று கண்டறிந்தனர்5 அவர்கள் இந்த பழக்கமான முறையை பின்பற்றவில்லை. 1/B இல் அதன் காந்த எதிர்ப்பு ஏற்ற இறக்கங்கள் வழக்கமான கால இடைவெளியில் இல்லை, மேலும் அவை குவாண்டம் வரம்பிற்கு வெளியே இருந்தன.
இந்த முடிவு ஆச்சரியமாக இருந்தது, ஏனெனில் குவாண்டம் வரம்புக்கு வெளியே, எலக்ட்ரான்கள் மிகக் குறைந்த லாண்டவு நிலைக்கு மட்டுப்படுத்தப்பட வேண்டும். எனவே, பாரம்பரிய எதிர்பார்ப்புகளின்படி, பழக்கமான அதிர்வுகள் மறைந்து போக வேண்டும்.
“இடவியல் கட்ட மாற்றத்திற்கு அருகில் உள்ள பொருட்களில், எலக்ட்ரான்கள் ஒரு உலோகத்திற்குள் சாதாரண துகள்களைப் போல நிறுத்த முடியும். அவற்றின் மின்னணு தூண்டுதல்கள், டைராக் ஃபெர்மியன்ஸ் – அதாவது, சார்பியல் துகள்கள் போன்ற குவாசி துகள்கள் போல செயல்படுகின்றன. எங்கள் வேலையில், இந்த அரைத் துகள்களின் சுழல் முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது என்பதைக் காட்டுகிறோம். ‘மீண்டும் வரலாம்’ மற்றும் இந்த அசாதாரண நடத்தையை நாங்கள் மீண்டும் லாண்டவு மேற்பரப்பு என்று அழைக்கிறோம்.”
விளைவை விளக்க, ஆராய்ச்சியாளர்கள் லாண்டவு மேற்பரப்புகளின் “மடிப்பு” எனப்படும் ஒரு செயல்முறையை முன்மொழிகின்றனர். காந்தப்புலம் அதிகரிக்கும் போது, அவற்றின் ஆற்றலை எளிமையான, நேர்கோட்டில் மாற்றுவதற்குப் பதிலாக, சில லாண்டவு நிலைகள் ஃபெர்மி நிலைக்குத் திரும்பி அதை மீண்டும் கடக்கலாம். அந்த புதுப்பிக்கப்பட்ட மாற்றங்கள் ஒரு ஆட்சியில் கூடுதல் அலைவுகளை ஏற்படுத்துகின்றன, அங்கு ஏற்றத்தாழ்வுகள் ஏற்கனவே மறைந்திருக்க வேண்டும் என்று வழக்கமான கோட்பாடு கணித்துள்ளது.
எலக்ட்ரான் ஸ்பின் படத்தை மாற்றுகிறது
அசாதாரண நடத்தை இரண்டு வெவ்வேறு உடல் விளைவுகளின் தொடர்பு காரணமாக ஏற்படுகிறது. அவற்றில் ஒன்று சைக்ளோட்ரான் ஆற்றல், இது ஒரு காந்தப்புலத்தின் மூலம் எலக்ட்ரான்களின் சுற்றுப்பாதை இயக்கத்தால் உருவாக்கப்படுகிறது. மற்றொன்று ஜீமன் விளைவு, இது காந்தப்புலத்தின் இணைப்பையும் எலக்ட்ரானின் சுழற்சியையும் விவரிக்கிறது.
ZrTe போன்ற ஒரு பொருளில்5சுழல்-சுற்றுப்பாதை தொடர்பு வலுவாக இருக்கும் இடத்தில், இந்த இரண்டு பங்களிப்புகளையும் சுயாதீனமாக கருத முடியாது. எலக்ட்ரான் சுழல் மற்றும் சுற்றுப்பாதை இயக்கம் ஆகியவை இணைக்கப்பட்டுள்ளன, இதனால் காந்தப்புலம் மாறும்போது லாண்டவ் மேற்பரப்புகளின் ஆற்றல் நேரியல் அல்லாமல் உருவாகிறது.
ஒழுங்கற்ற அதிர்வுகளுக்கு இரண்டு சாத்தியமான வழிமுறைகளில் எது பொறுப்பு என்பதை தீர்மானிப்பதே ஆய்வின் முக்கிய குறிக்கோள். பல எலக்ட்ரான்களுக்கு இடையிலான கூட்டு தொடர்புகளால் ஏற்படும் பல உடல் விளைவுகளை உள்ளடக்கிய ஒரு சாத்தியம். பொருளின் மின்னணு அமைப்புடன் தொடர்புடைய பிற உள் இடவியல் பண்புகள்.
அவற்றின் மாதிரியில் காணப்பட்ட நடத்தையை விளக்க பல எலக்ட்ரான் தொடர்புகள் தேவையில்லை என்று ஆராய்ச்சியாளர்கள் தீர்மானித்தனர். அதற்கு பதிலாக, ஒரு முப்பரிமாண டிராக் ஹாமில்டோனியனை அடிப்படையாகக் கொண்ட ஒரு ஒற்றை-துகள் மாதிரி மற்றும் வலுவான சுழல்-சுற்றுப்பாதை இணைப்பு உட்பட சோதனை முறைகளை மீண்டும் உருவாக்க முடிந்தது.
“நாம் பார்த்தது என்னவென்றால், பல உடல் தொடர்புகளிலிருந்து விளைவு வரவில்லை, ஆனால் எலக்ட்ரானிக் பட்டைகளின் அசாதாரண இடவியலில் இருந்து வருகிறது” என்று லாரியா முடிக்கிறார்.
ZrTe இல் முரண்பட்ட முடிவுகளை நீக்குதல்5
இந்த கண்டுபிடிப்புகள் ZrTe உடனான சோதனைகளைச் சுற்றியுள்ள நீண்டகால சர்ச்சையை வெளிச்சம் போட்டுக் காட்ட உதவும்5. ஒரே பொருளின் வெவ்வேறு மாதிரிகள் வெவ்வேறு வகையான குவாண்டம் அதிர்வுகளை உருவாக்கியது.
சில மாதிரிகள் 1/B இல் அவ்வப்போது இருக்கும் சாதாரண அலைவுகளைக் காட்டுகின்றன. மற்றவை 1/B இல் அவ்வப்போது இல்லாத அலைவுகளைக் காட்டுகின்றன. மற்றவை B இல் மடக்கை கால அளவைக் கொண்ட சமிக்ஞைகளை உருவாக்குகின்றன.
புதிய முடிவுகளின்படி, இந்த வேறுபாடுகளுக்கு தனி உடல் விளக்கங்கள் தேவையில்லை. அதற்கு பதிலாக, இந்த நடத்தைகள் அனைத்தும் ஒரே எலக்ட்ரானிக் டைராக் கட்டமைப்பிலிருந்து எழலாம், இதன் விளைவு பெரும்பாலும் கேரியர் அடர்த்தி மற்றும் ஒவ்வொரு மாதிரியிலும் உள்ள ஃபெர்மி அளவின் அளவு ஆகியவற்றால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது.
“குறைந்த கேரியர் அடர்த்தி கொண்ட மாதிரிகளில், இங்கு ஆய்வு செய்யப்பட்டது போன்ற, Zeeman மற்றும் சைக்ளோட்ரான் விளைவுகளை சோதனை ரீதியாக அணுகக்கூடிய காந்தப்புலங்களில் ஒப்பிடலாம். இது லாண்டவு நிலைகளின் மறு நுழைவுக்கு பங்களிக்கிறது மற்றும் முரண்பாடான அதிர்வுகள் தெரியும். அதிக கேரியர் அடர்த்தி கொண்ட மாதிரிகளில், வழக்கமான சொல் மற்றும் அவற்றின் காலங்கள் விளக்குகின்றன.”
சுழற்சியின் இரண்டு சேனல்கள் குறுக்கிடுகின்றன
சுழல்-பிரிக்கப்பட்ட நிலைகளுடன் தொடர்புடைய குவாண்டம் அலைவுகளுக்கு இரண்டு தனித்துவமான பங்களிப்புகளையும் ஆராய்ச்சியாளர்கள் அடையாளம் கண்டுள்ளனர். இந்த இரண்டு பங்களிப்புகளும் வெவ்வேறு பயனுள்ள வெகுஜனங்களைக் கொண்டிருக்கின்றன மற்றும் ஒன்றுக்கொன்று குறுக்கிடலாம்.
இந்த குறுக்கீடு அளவீட்டில் மற்றொரு எதிர்பாராத அம்சத்தை விளக்க உதவுகிறது. பாரம்பரிய லிஃப்ஷிட்ஸ்-கோசெவிச் மாதிரியின் படி, வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது, குவாண்டம் அதிர்வுகளின் வீச்சு தொடர்ந்து குறைய வேண்டும். அதற்கு பதிலாக, ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஒரு குறிப்பிட்ட வெப்பநிலை வரம்பில் அதிர்வு வீச்சில் உள்ளூர் குறைந்தபட்சத்தைக் கவனித்தனர்.
இரண்டு எலக்ட்ரான் சேனல்களும் நிலையான வழியில் மங்குவதை விட ஒருவருக்கொருவர் குறுக்கிடுகின்றன என்பதை முடிவு காட்டுகிறது.
கோண காந்த எதிர்ப்பு அளவீடுகள் பொருள் பற்றிய கூடுதல் தகவல்களை வழங்கின. குறைந்த காந்தப்புலங்களின் கீழ், ஃபெர்மி மேற்பரப்பு முப்பரிமாணமாகவும் தோராயமாக நீள்வட்டமாகவும் தோன்றியது.
ஆராய்ச்சியாளர்கள் மிகக் குறைந்த கேரியர் அடர்த்தி சுமார் 10 என மதிப்பிட்டுள்ளனர்16 ஒரு கன சென்டிமீட்டருக்கு. இந்த மதிப்பு ZrTe உடன் ஒத்துப்போகிறது5 இடவியல் கட்ட மாற்றத்திற்கு மிக அருகில் அமைந்துள்ளது.
தீவிர நிலைமைகளின் கீழ் பொருட்களின் சோதனை
1 கெல்வினுக்குக் குறைவான வெப்பநிலையுடன் 60 டெஸ்லா வரையிலான துடிப்புள்ள காந்தப்புலங்களை இணைக்கும் திறன் கொண்ட உலகெங்கிலும் உள்ள சில வசதிகளில் ஒன்றான லாஸ் அலமோஸில் உள்ள தேசிய காந்தப்புல ஆய்வகத்தில் சோதனைகள் மேற்கொள்ளப்பட்டன.
“இந்த வகையான நடைமுறையை உலகெங்கிலும் ஒரு சில இடங்களில் மட்டுமே செய்ய முடியும். அந்த வசதிகளுக்கான அணுகல் போட்டித்தன்மை வாய்ந்தது” என்று லாரியா குறிப்பிடுகிறார்.
அசாதாரண குவாண்டம் அலைவுகளை விளக்குவதற்கு அப்பால், கண்டுபிடிப்புகள் ZrTe ஐப் பயன்படுத்துவதற்கான வழக்கை வலுப்படுத்துகின்றன.5 பொருளின் கூடுதல் இடவியல் கட்டங்களை ஆய்வு செய்வதற்கான தளமாக.
சமச்சீர், கேரியர் அடர்த்தி, இயந்திர அழுத்தம், வெப்பநிலை மற்றும் காந்தப்புலம் போன்ற காரணிகளை கவனமாக சரிசெய்வது இன்னும் கவர்ச்சியான மின்னணு நிலைகளை உருவாக்கலாம் என்று ஆராய்ச்சியாளர்கள் தெரிவிக்கின்றனர். இவை வெயில் குவாசிபார்டிகல்ஸ் கொண்ட கட்டங்களை உள்ளடக்கியிருக்கலாம்.
Larrea முடிக்கிறார்: “எங்கள் சோதனையானது முன்னர் சர்ச்சையில் மறைக்கப்பட்ட ஒரு செயல்முறையின் முதல் சோதனை விளக்கத்தை வழங்கியது.”
லாரியாவுக்கு வழங்கப்பட்ட இளம் புலனாய்வாளர் மானியத்தின் மூலம் FAPESP ஆல் இந்த ஆராய்ச்சி ஆதரிக்கப்பட்டது. லாஸ் அலமோஸ் தேசிய ஆய்வகம், தேசிய காந்தப்புல ஆய்வகம், தேசிய அறிவியல் அறக்கட்டளை மற்றும் அமெரிக்க எரிசக்தித் துறை உள்ளிட்ட அமெரிக்க நிறுவனங்களிடமிருந்து கூடுதல் நிதி கிடைத்துள்ளது.
Leave a Reply