کئی دہائیوں سے، کرسٹل کے ایک خاندان نے طبیعیات دانوں کو سپر کنڈکٹ کی حیران کن صلاحیت سے روک دیا ہے - یعنی بغیر کسی مزاحمت کے برقی کرنٹ لے جاتے ہیں - دوسرے مواد سے کہیں زیادہ گرم درجہ حرارت پر۔
اب، بنانے میں ایک تجربہ سال ہے براہ راست تصور شدہ سپر کنڈکٹیویٹی ان میں سے ایک کرسٹل میں جوہری پیمانے پر، آخر کار اس واقعے کی وجہ کو تقریباً ہر ایک کے اطمینان کے لیے ظاہر کرتا ہے۔ الیکٹران ایک دوسرے کو بغیر رگڑ کے بہاؤ کی طرف اس انداز میں دھکیلتے دکھائی دیتے ہیں جو پہلے ایک قابل احترام نظریہ کے ذریعہ تجویز کیا گیا تھا جتنا کہ اسرار ہی پرانا ہے۔
"یہ ثبوت واقعی خوبصورت اور سیدھا ہے،" کہا سبیر سچدیو، ہارورڈ یونیورسٹی کے ایک ماہر طبیعیات جو کرسٹل کے نظریات بناتے ہیں، جنہیں کپریٹس کہا جاتا ہے، اور وہ اس تجربے میں شامل نہیں تھے۔
"میں نے اس مسئلے پر 25 سال سے کام کیا ہے، اور مجھے امید ہے کہ میں نے اسے حل کر لیا ہے،" کہا جے سی سیمس ڈیوسجس نے آکسفورڈ یونیورسٹی میں نئے تجربے کی قیادت کی۔ "میں بالکل پرجوش ہوں۔"
نئی پیمائش نظریہ پر مبنی ایک پیشین گوئی سے میل کھاتی ہے، جو کپریٹ سپر کنڈکٹیویٹی کو کوانٹم رجحان سے منسوب کرتی ہے جسے سپر ایکسچینج کہتے ہیں۔ "میں مقداری معاہدے سے حیران ہوں،" کہا آندرے میری ٹریمبلے، کینیڈا میں یونیورسٹی آف شیربروک کے ماہر طبیعیات اور اس گروپ کے رہنما جس نے پچھلے سال یہ پیش گوئی کی تھی۔
تحقیق میدان کے بارہماسی عزائم کو آگے بڑھاتی ہے: کپریٹ سپر کنڈکٹیویٹی کو حاصل کرنا اور اس کے بنیادی میکانزم کو مضبوط بنانا، تاکہ دنیا کو تبدیل کرنے والے مواد کو ڈیزائن کیا جا سکے جو اس سے بھی زیادہ درجہ حرارت پر بجلی کو سپر کنڈکٹ کرنے کے قابل ہو۔ کمرے کے درجہ حرارت کی سپر کنڈکٹیویٹی روزمرہ کے الیکٹرانکس، پاور لائنز اور بہت کچھ میں کامل کارکردگی لائے گی، حالانکہ مقصد ابھی دور ہے۔
"اگر نظریہ کا یہ طبقہ درست ہے،" ڈیوس نے سپر ایکسچینج تھیوری کا حوالہ دیتے ہوئے کہا، "مختلف مقامات پر مختلف ایٹموں کے ساتھ مصنوعی مواد کو بیان کرنا ممکن ہونا چاہیے" جس کے لیے اہم درجہ حرارت زیادہ ہے۔
دو گلوز
طبیعیات دان سپر کنڈکٹیوٹی کے ساتھ جدوجہد کر رہے ہیں جب سے اس کا پہلی بار 1911 میں مشاہدہ کیا گیا تھا۔ ڈچ سائنس دان ہیک کیمرلنگ اونس اور ان کے ساتھیوں نے ایک پارے کے تار کو تقریباً 4 کیلونز (یعنی مطلق صفر سے 4 ڈگری اوپر) تک ٹھنڈا کیا اور حیرانی کے ساتھ دیکھا کہ برقی قمقمے کی مزاحمت ہے۔ . جب وہ اس کے ایٹموں سے ٹکراتے تھے تو الیکٹران بڑی تدبیر سے تار کے ذریعے گرمی پیدا کیے بغیر اپنا راستہ موڑتے تھے - مزاحمت کی اصل۔ ڈیوس نے کہا کہ یہ جاننے کے لیے کہ "زندگی بھر کی کوشش" لگے گی۔
1950 کی دہائی کے وسط سے اہم تجرباتی بصیرت پر مبنی جان بارڈین، لیون کوپر اور جان رابرٹ شریفر ان کا نوبل انعام یافتہ نظریہ شائع کیا۔ 1957 میں سپر کنڈکٹیویٹی کی اس روایتی شکل کا۔ "بی سی ایس تھیوری،" جیسا کہ آج جانا جاتا ہے، یہ کہتا ہے کہ ایٹموں کی قطاروں میں کمپن "گلو" الیکٹران ایک ساتھ چلتی ہے۔ جیسا کہ ایک منفی چارج شدہ الیکٹران ایٹموں کے درمیان اڑتا ہے، یہ مثبت طور پر چارج شدہ ایٹم نیوکلی کو اپنی طرف کھینچتا ہے اور ایک لہر پیدا کرتا ہے۔ وہ لہر دوسرے الیکٹران کو کھینچتی ہے۔ اپنے شدید برقی ریپلشن پر قابو پاتے ہوئے، دو الیکٹران ایک "کوپر جوڑی" بناتے ہیں۔
"یہ فطرت کی سچی چال ہے،" کہا جارگ شمالیان، جرمنی میں کارلسروہ انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی کے ماہر طبیعیات۔ "یہ کوپر جوڑی نہیں ہونا چاہئے."
جب الیکٹران جوڑے جاتے ہیں تو مزید کوانٹم ٹرکری سپر کنڈکٹیوٹی کو ناگزیر بنا دیتی ہے۔ عام طور پر، الیکٹران اوورلیپ نہیں ہو سکتے، لیکن کوپر کے جوڑے مختلف کوانٹم مکینیکل اصول کی پیروی کرتے ہیں۔ وہ روشنی کے ذرات کی طرح کام کرتے ہیں، جن میں سے کوئی بھی تعداد پن کے سر پر ڈھیر ہو سکتی ہے۔ کوپر کے بہت سے جوڑے اکٹھے ہوتے ہیں اور ایک واحد کوانٹم مکینیکل حالت میں ضم ہو جاتے ہیں، ایک "زبردست سیال"، جو ان ایٹموں سے غافل ہو جاتا ہے جن کے درمیان سے گزرتا ہے۔
BCS تھیوری نے یہ بھی بتایا کہ کیوں پارا اور دیگر دھاتی عناصر سپر کنڈکٹ جب مطلق صفر کے قریب ٹھنڈا ہو جاتے ہیں لیکن چند کیلونز کے اوپر ایسا کرنا بند کر دیتے ہیں۔ جوہری لہریں سب سے کمزور گلوز بناتی ہیں۔ گرمی کو بڑھائیں، اور یہ ایٹموں کو جھنجوڑتا ہے اور جالی کے کمپن کو دھو دیتا ہے۔
پھر 1986 میں، آئی بی ایم کے محققین جارج بیڈنورز اور ایلکس مولر کپریٹس میں ایک مضبوط الیکٹران گوند سے ٹھوکر کھا گئے: تانبے اور آکسیجن کی چادروں پر مشتمل کرسٹل دوسرے عناصر کی تہوں کے درمیان جڑے ہوئے تھے۔ ان کے بعد ایک کپریٹ کا مشاہدہ کیا 30 کیلونز پر سپر کنڈکٹنگ، محققین کو جلد ہی دوسرے ایسے سپر کنڈکٹ مل گئے۔ 100 سے اوپر، اور پھر اوپر 130،XNUMX کیلون.
اس پیش رفت نے اس "اعلی درجہ حرارت" سپر کنڈکٹیویٹی کے لیے ذمہ دار سخت گلو کو سمجھنے کے لیے ایک وسیع پیمانے پر کوشش کا آغاز کیا۔ شاید الیکٹران ایک دوسرے کے ساتھ مل کر چارج کی پیچیدہ، لہراتی ارتکاز پیدا کرتے ہیں۔ یا ہوسکتا ہے کہ انہوں نے اسپن کے ذریعے تعامل کیا ہو، الیکٹران کی ایک اندرونی خاصیت جو اسے کسی خاص سمت میں، جیسے کوانٹم سائز مقناطیس کی طرف لے جاتی ہے۔
آنجہانی فلپ اینڈرسن، ایک امریکی نوبل انعام یافتہ اور کنڈینسڈ مادّے کی طبیعیات میں ہمہ گیر لیجنڈ، نے پیش کیا۔ ایک نظریہ اعلی درجہ حرارت کی سپر کنڈکٹیویٹی دریافت ہونے کے چند ماہ بعد۔ گلو کے مرکز میں، اس نے دلیل دی، پہلے بیان کردہ کوانٹم رجحان کو سپر ایکسچینج کہتے ہیں - ایک قوت جو الیکٹرانوں کی ہاپ کرنے کی صلاحیت سے پیدا ہوتی ہے۔ جب الیکٹران متعدد مقامات کے درمیان ہاپ کر سکتے ہیں، تو کسی بھی لمحے ان کی پوزیشن غیر یقینی ہو جاتی ہے، جب کہ ان کی رفتار بالکل واضح ہو جاتی ہے۔ تیز رفتار ایک کم رفتار ہوسکتی ہے، اور اس وجہ سے کم توانائی کی حالت، جو ذرات قدرتی طور پر تلاش کرتے ہیں۔
نتیجہ یہ ہے کہ الیکٹران ایسے حالات تلاش کرتے ہیں جس میں وہ ہاپ کر سکتے ہیں۔ ایک الیکٹران نیچے کی طرف اشارہ کرنے کو ترجیح دیتا ہے جب اس کا پڑوسی اوپر کی طرف اشارہ کرتا ہے، مثال کے طور پر، کیونکہ یہ فرق دو الیکٹرانوں کو ایک ہی ایٹم کے درمیان ہاپ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ اس طرح، سپر ایکسچینج کچھ مواد میں الیکٹران کے گھماؤ کا باقاعدہ اوپر نیچے اوپر نیچے پیٹرن قائم کرتا ہے۔ یہ الیکٹرانوں کو ایک خاص فاصلے پر رہنے کے لیے بھی دھکیلتا ہے۔ (بہت دور، اور وہ ہاپ نہیں کر سکتے۔) یہ وہ موثر کشش ہے جس کے بارے میں اینڈرسن کا خیال تھا کہ کوپر کے مضبوط جوڑے بنا سکتے ہیں۔
تجرباتی ماہرین نے اینڈرسن جیسے نظریات کو جانچنے کے لیے طویل جدوجہد کی، کیونکہ مادی خصوصیات جن کی وہ پیمائش کر سکتے ہیں، جیسے عکاسی یا مزاحمت، کھربوں الیکٹرانوں کے اجتماعی رویے کے صرف خام خلاصے پیش کرتے ہیں، جوڑے نہیں۔
ڈیوس نے کہا کہ "کثیف مادے کی طبیعیات کی روایتی تکنیکوں میں سے کوئی بھی اس طرح کے مسئلے کو حل کرنے کے لیے کبھی ڈیزائن نہیں کیا گیا تھا۔"
سپر تجربہ
ڈیوس، آکسفورڈ، کارنیل یونیورسٹی، یونیورسٹی کالج کارک اور ڈریسڈن میں کوانٹم میٹریلز کے بین الاقوامی میکس پلانک ریسرچ اسکول برائے کیمسٹری اور فزکس میں لیبز کے ساتھ آئرش ماہر طبیعیات، نے آہستہ آہستہ جوہری سطح پر کپریٹس کی جانچ پڑتال کے لیے ٹولز تیار کیے ہیں۔ اس سے پہلے کے تجربات نے کسی مادے کی سپر کنڈکٹیویٹی کی طاقت کا اندازہ اس وقت تک لگایا جب تک کہ یہ اس اہم درجہ حرارت پر نہ پہنچ جائے جہاں سے سپر کنڈکٹیویٹی شروع ہو جاتی ہے - گرم درجہ حرارت کے ساتھ مضبوط گوند کی نشاندہی ہوتی ہے۔ لیکن پچھلی دہائی کے دوران، ڈیوس کے گروپ نے انفرادی ایٹموں کے گرد گلو پیدا کرنے کا ایک طریقہ بہتر کیا ہے۔
انہوں نے ایک قائم شدہ تکنیک میں ترمیم کی جسے سکیننگ ٹنلنگ مائیکروسکوپی کہا جاتا ہے، جو ایک سوئی کو سطح پر گھسیٹتی ہے، اور دونوں کے درمیان اچھلنے والے الیکٹرانوں کے کرنٹ کی پیمائش کرتی ہے۔ سوئی کی عام دھاتی نوک کو سپر کنڈکٹنگ ٹپ کے لیے تبدیل کرکے اور اسے ایک کپریٹ میں جھاڑ کر، انہوں نے افراد کی بجائے الیکٹران کے جوڑوں کی کرنٹ کی پیمائش کی۔ اس سے وہ ہر ایٹم کے ارد گرد کوپر جوڑوں کی کثافت کا نقشہ بناتے ہیں - سپر کنڈکٹیویٹی کا براہ راست پیمانہ۔ انہوں نے پہلی تصویر شائع کی۔ کوپر کے جوڑوں کی بھیڑ in فطرت، قدرت 2016.
اسی سال، چینی طبیعیات دانوں نے ایک تجربہ فراہم کیا۔ ثبوت کا ایک اہم حصہ اینڈرسن کے سپر ایکسچینج تھیوری کی حمایت کرتے ہوئے: انھوں نے دکھایا کہ الیکٹرانوں کے لیے ایک دیے گئے کپریٹ میں تانبے اور آکسیجن کے ایٹموں کے درمیان ہاپ کرنا جتنا آسان ہوگا، کپریٹ کا نازک درجہ حرارت اتنا ہی زیادہ ہوگا (اور اس طرح اس کا گلو اتنا ہی مضبوط ہوگا)۔ ڈیوس اور ان کے ساتھیوں نے گلو کی نوعیت کو زیادہ واضح طور پر ظاہر کرنے کے لیے ایک ہی کپریٹ کرسٹل میں دو طریقوں کو یکجا کرنے کی کوشش کی۔
انہوں نے کہا کہ "آہا" لمحہ 2020 میں زوم پر ایک گروپ میٹنگ میں آیا۔ محققین نے محسوس کیا کہ بسمتھ سٹرونٹیم کیلشیم کاپر آکسائیڈ (BSCCO، یا "bisko" مختصراً) نامی کپریٹ میں ایک خاص خصوصیت تھی جس نے ان کے خوابوں کے تجربے کو ممکن بنایا۔ بی ایس سی سی او میں، تانبے اور آکسیجن کے ایٹموں کی تہوں کو ایٹموں کی آس پاس کی چادروں سے لہراتی پیٹرن میں نچوڑ لیا جاتا ہے۔ یہ بعض ایٹموں کے درمیان فاصلے کو مختلف کرتا ہے، جس کے نتیجے میں ہاپ کے لیے درکار توانائی متاثر ہوتی ہے۔ یہ تغیر تھیوریسٹوں کے لیے سر درد کا باعث بنتا ہے، جو اپنی جالیوں کو صاف ستھرا پسند کرتے ہیں، لیکن اس نے تجربہ کاروں کو بالکل وہی دیا جس کی انہیں ضرورت تھی: ایک نمونے میں ہاپنگ توانائیوں کی ایک حد۔
انہوں نے دھاتی ٹپ کے ساتھ ایک روایتی اسکیننگ مائکروسکوپ کا استعمال کیا تاکہ الیکٹران کو کچھ ایٹموں پر چپکایا جا سکے اور انہیں دوسروں سے کھینچ لیا جا سکے، کپریٹ کے اس پار ہاپنگ توانائیوں کا نقشہ بنایا جا سکے۔ اس کے بعد انہوں نے ہر ایٹم کے ارد گرد کوپر کے جوڑوں کی کثافت کی پیمائش کرنے کے لیے ایک کپریٹ ٹپ میں تبادلہ کیا۔
دونوں نقشے قطار میں کھڑے تھے۔ جہاں الیکٹران ہاپ کرنے کے لیے جدوجہد کر رہے تھے، وہاں سپر کنڈکٹیویٹی کمزور تھی۔ جہاں ہاپنگ آسان تھی، سپر کنڈکٹیویٹی مضبوط تھی۔ ہاپنگ انرجی اور کوپر جوڑے کی کثافت کے درمیان تعلق ایک نفیس سے قریب سے ملتا ہے۔ عددی پیشن گوئی ٹریمبلے اور ساتھیوں کے ذریعہ 2021 سے، جس نے دلیل دی کہ اس تعلق کو اینڈرسن کے نظریہ کی پیروی کرنا چاہئے۔
سپر ایکسچینج سپر گلو
ڈیوس کا پتہ چلا کہ ہاپنگ انرجی سپر کنڈکٹیویٹی طاقت سے منسلک ہے، جو اس ماہ میں شائع ہوئی۔ نیشنل اکیڈمی آف سائنسز کی کاروائی، سختی سے ظاہر کرتا ہے کہ سپر ایکسچینج سپر گلو ہے جو اعلی درجہ حرارت کی سپر کنڈکٹیوٹی کو چالو کرتا ہے۔
"یہ ایک اچھا کام ہے کیونکہ یہ ایک نئی تکنیک لاتا ہے تاکہ مزید یہ ظاہر کیا جا سکے کہ اس خیال کی ٹانگیں ہیں۔" علی یزدانی۔، پرنسٹن یونیورسٹی کے ایک ماہر طبیعیات جنہوں نے کپریٹس کا مطالعہ کرنے کے لئے اسی طرح کی تکنیک تیار کی ہے۔ دیگر غیر ملکی مثالیں ڈیوس کے گروپ کے متوازی طور پر سپر کنڈکٹیویٹی۔
لیکن یزدانی اور دیگر محققین خبردار کرتے ہیں کہ اب بھی ایک موقع ہے، چاہے دور ہی کیوں نہ ہو، کسی اور وجہ سے یہ گوند کی طاقت اور آسانی سے لاک سٹیپ میں حرکت کرنے میں آسانی ہے، اور یہ کہ میدان کلاسک ارتباط-مساوات-سبب کے جال میں گر رہا ہے۔ یزدانی کے لیے، ایک سببی تعلق ثابت کرنے کا اصل طریقہ یہ ہوگا کہ کچھ چمکدار نئے سپر کنڈکٹرز کو انجینئر کرنے کے لیے سپر ایکسچینج کو استعمال کیا جائے۔
"اگر یہ ختم ہو گیا ہے، تو چلو بڑھاتے ہیں Tc"انہوں نے نازک درجہ حرارت کا حوالہ دیتے ہوئے کہا۔
Superexchange کوئی نیا خیال نہیں ہے، اس لیے بہت سارے محققین پہلے ہی سوچ چکے ہیں۔ اسے مضبوط کرنے کا طریقہ، شاید تانبے اور آکسیجن کی جالی کو مزید نچوڑ کر یا عناصر کے دوسرے جوڑوں کے ساتھ تجربہ کر کے۔ ٹریمبلے نے کہا، "میز پر پہلے سے ہی پیشین گوئیاں موجود ہیں۔
بلاشبہ، ایٹم بلیو پرنٹس کا خاکہ بنانا اور ایسے مواد کو ڈیزائن کرنا جو محققین چاہتے ہیں وہ تیز یا آسان نہیں ہے۔ مزید برآں، اس بات کی کوئی گارنٹی نہیں ہے کہ بیسپوک کپریٹس بھی ان کپریٹس سے کہیں زیادہ نازک درجہ حرارت حاصل کریں گے جن کو ہم پہلے سے جانتے ہیں۔ سپر ایکسچینج کی طاقت کی حد سخت ہوسکتی ہے، جیسا کہ ایٹم کمپن لگتا ہے۔ کچھ محققین ہیں۔ امیدواروں کی تفتیش مکمل طور پر مختلف اور ممکنہ طور پر اس سے بھی مضبوط قسم کے گلو کے لیے۔ دوسرے غیر معمولی دباؤ کا فائدہ اٹھانا روایتی جوہری کمپن کو کنارے کرنے کے لیے۔
لیکن ڈیوس کا نتیجہ کیمسٹ اور میٹریل سائنس دانوں کی کوششوں کو تقویت اور توجہ مرکوز کر سکتا ہے جن کا مقصد کپریٹ سپر کنڈکٹرز کو زیادہ بلندیوں تک پہنچانا ہے۔
شمالیان نے کہا، "مٹیریل ڈیزائن کرنے والے لوگوں کی تخلیقی صلاحیتیں لامحدود ہیں۔ "ہمیں جتنا زیادہ اعتماد ہے کہ ایک طریقہ کار درست ہے، اس میں مزید سرمایہ کاری کرنا اتنا ہی فطری ہے۔"
