سطح کی سپر کنڈکٹیویٹی ٹاپولوجیکل مواد میں ظاہر ہوتی ہے - فزکس ورلڈ

IFW ڈریسڈن، جرمنی میں لیبنز انسٹی ٹیوٹ فار سالڈ اسٹیٹ اینڈ میٹریلز ریسرچ کے محققین نے وائل سیمیٹلز کے نام سے معروف ٹاپولوجیکل مواد کی ایک کلاس میں سطح کی سپر کنڈکٹیویٹی کا ثبوت پایا ہے۔ دلچسپ بات یہ ہے کہ سپر کنڈکٹیویٹی، جو کہ نام نہاد فرمی آرکس میں قید الیکٹرانوں سے آتی ہے، مطالعہ کیے گئے نمونے کے اوپر اور نیچے کی سطحوں پر قدرے مختلف ہے۔ اس رجحان کو میجورانا سٹیٹس بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے - طویل عرصے سے تلاش کیے جانے والے کواسی پارٹیکلز جو کہ اگلی نسل کے کوانٹم کمپیوٹرز کے لیے انتہائی مستحکم، غلطی برداشت کرنے والے کوانٹم بٹس بنا سکتے ہیں۔ دریں اثنا، امریکہ کی پین سٹیٹ یونیورسٹی کے ایک اور گروپ نے دو مقناطیسی مواد کو ملا کر ایک چیرل ٹاپولوجیکل سپر کنڈکٹر بنایا ہے۔ اس نئے مواد میں میجرانہ ریاستیں بھی مل سکتی ہیں۔

ٹاپولوجیکل انسولیٹر بڑے پیمانے پر موصلیت کا باعث ہوتے ہیں لیکن خصوصی، ٹاپولوجیکل طور پر محفوظ، الیکٹرانک حالتوں کے ذریعے اپنے کناروں پر بجلی کو بہت اچھی طرح سے چلاتے ہیں۔ یہ ٹاپولوجیکل ریاستیں اپنے ماحول میں اتار چڑھاؤ سے محفوظ رہتی ہیں اور ان میں الیکٹران پیچھے نہیں ہٹتے ہیں۔ چونکہ بیک سکیٹرنگ الیکٹرانکس میں سب سے اہم منتشر عمل ہے، اس کا مطلب یہ ہے کہ مستقبل میں ان مواد کو انتہائی توانائی سے موثر الیکٹرانک آلات بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

وائل سیمیٹلز ٹاپولوجیکل مواد کا حال ہی میں دریافت ہونے والا طبقہ ہے جس میں الیکٹرانک اتیجیت ماس ​​لیس، وائل، فرمیونز کے طور پر برتاؤ کرتی ہے - جس کی پہلی پیشین گوئی 1929 میں نظریاتی ماہر طبیعیات ہرمن وائل نے ڈیرک مساوات کے حل کے طور پر کی تھی۔ یہ فرمیون عام دھاتوں یا سیمی کنڈکٹرز میں الیکٹرانوں سے بالکل مختلف طریقے سے برتاؤ کرتے ہیں جس میں وہ چیرل مقناطیسی اثر دکھاتے ہیں۔ یہ اس وقت ہوتا ہے جب ایک وائل دھات کو مقناطیسی میدان میں رکھا جاتا ہے، جو مثبت اور منفی وائل ذرات کا کرنٹ پیدا کرتا ہے جو میدان کے متوازی اور متوازی حرکت کرتے ہیں۔

فرمیون جن کو وائل کے نظریہ کے ذریعے بیان کیا جا سکتا ہے وہ ٹھوس میں کواسی پارٹیکلز کے طور پر ظاہر ہو سکتے ہیں جن میں لکیری الیکٹران انرجی بینڈز نام نہاد (وائل) "نوڈس" پر عبور کرتے ہیں، جن کا وجود بلک بینڈ کی ساخت میں لامحالہ "فرمی" کی تشکیل کے ساتھ ہوتا ہے۔ آرکس" سطحی بینڈ کے ڈھانچے پر جو بنیادی طور پر مخالف چیرالیٹی کے وائل نوڈس کے "پروجیکشنز" کے جوڑوں کو جوڑتا ہے۔ ہر قوس نیچے کی سطح پر ایک آرک کے ذریعے مکمل ہونے والے نمونے کی اوپری سطح پر ایک لوپ کا آدھا حصہ بناتا ہے۔

الیکٹران فرمی آرکس تک محدود ہیں۔

IFW ڈریسڈن کے مطالعہ میں، جس میں تفصیلی ہے۔ فطرت، قدرتکی قیادت میں محققین کی ایک ٹیم سرگئی بوریسینکو Weyl semimetal پلاٹینم – بسمتھ (PtBi₂)۔ اس مواد کی سطح پر فرمی آرکس تک محدود کچھ الیکٹران ہیں۔ اہم بات یہ ہے کہ اس مواد کے اوپر اور نیچے کی سطحوں پر موجود آرکس سپر کنڈکٹنگ ہیں، یعنی وہاں موجود الیکٹران بغیر کسی مزاحمت کے جوڑتے ہیں اور حرکت کرتے ہیں۔ محققین کا کہنا ہے کہ یہ پہلی بار ہے کہ فرمی آرکس میں سپر کنڈکٹیویٹی دیکھی گئی ہے، جس میں زیادہ تر دھاتی باقی رہ گئی ہے، اور اس کا اثر اس حقیقت کی بدولت ممکن ہے کہ آرکس فرمی سطح کے قریب واقع ہیں (مقبوضہ اور غیر مقبوض الیکٹرانوں کے درمیان حد۔ سطحیں) خود۔

ٹیم نے ایک تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے اپنا نتیجہ حاصل کیا جسے زاویہ سے حل شدہ فوٹو ایمیشن سپیکٹروسکوپی (ARPES) کہا جاتا ہے۔ یہ ایک پیچیدہ تجربہ ہے جس میں لیزر روشنی کا ذریعہ بہت کم درجہ حرارت پر اور غیر معمولی طور پر زیادہ اخراج کے زاویوں پر بہت کم توانائی والے فوٹون فراہم کرتا ہے، بوریسینکو کی وضاحت کرتا ہے۔ یہ روشنی نمونے سے الیکٹرانوں کو باہر نکالنے کے لیے کافی توانائی بخش ہے اور ایک ڈٹیکٹر توانائی اور زاویہ دونوں کی پیمائش کرتا ہے جس کے ساتھ الیکٹران مواد سے باہر نکلتے ہیں۔ کرسٹل کے اندر موجود الیکٹرانک ڈھانچے کو اس معلومات سے دوبارہ بنایا جا سکتا ہے۔

"ہم نے PtBi کا مطالعہ کیا ہے۔₂ سنکروٹرون ریڈی ایشن سے پہلے اور سچ پوچھیں تو ہمیں کسی غیر معمولی چیز کی توقع نہیں تھی،" بوریسینکو کہتے ہیں۔ "تاہم، اچانک، ہمیں رفتار کے اختتامی توانائی کے لحاظ سے ایک بہت تیز، روشن اور انتہائی مقامی خصوصیت ملی - جیسا کہ یہ نکلا، ٹھوس سے فوٹو اخراج کی تاریخ میں اب تک کی سب سے تنگ چوٹی۔"

ان کی پیمائش میں، محققین نے فرمی آرکس کے اندر ایک سپر کنڈکٹنگ توانائی کے خلا کو کھولنے کا بھی مشاہدہ کیا۔ چونکہ صرف ان آرکس نے ایک خلا کی علامات ظاہر کی ہیں، اس کا مطلب ہے کہ سپر کنڈکٹیویٹی مکمل طور پر نمونے کے اوپر اور نیچے کی سطحوں تک محدود ہے، جس سے ایک قسم کا سپر کنڈکٹر-میٹل-سپر کنڈکٹر سینڈوچ بنتا ہے (نمونہ کا بڑا حصہ دھاتی ہے جیسا کہ ذکر کیا گیا ہے)۔ بوریسینکو بتاتے ہیں کہ یہ ڈھانچہ ایک اندرونی "SNS-Josephson جنکشن" کی نمائندگی کرتا ہے۔

ایک ٹیون ایبل جوزفسن جنکشن

اور یہ سب کچھ نہیں ہے: کیونکہ PtBi کے اوپر اور نیچے کی سطحیں۔₂ الگ الگ فرمی آرکس ہوتے ہیں، دونوں سطحیں مختلف ٹرانزیشن درجہ حرارت پر سپر کنڈکٹنگ بن جاتی ہیں، مطلب یہ ہے کہ مواد جوزفسن جنکشن ٹیون ایبل ہے۔ اس طرح کے ڈھانچے حساس میگنیٹومیٹر اور سپر کنڈکٹنگ کوئبٹس جیسے ایپلی کیشنز کے لئے بہت زیادہ وعدہ ظاہر کرتے ہیں۔

نظریہ میں، PtBi₂ نامی quasiparticles بنانے کے لیے بھی استعمال کیا جا سکتا ہے۔ میجرانا صفر موڈز، ٹاپولوجیکل سپر کنڈکٹیویٹی سے آنے کی پیش گوئی کی گئی ہے۔ بورسینکو کا کہنا ہے کہ اگر ان کا کسی تجربے میں مظاہرہ کیا جاتا ہے، تو وہ اگلی نسل کے کوانٹم کمپیوٹرز کے لیے انتہائی مستحکم، غلطی برداشت کرنے والے کوبٹس کے طور پر استعمال ہو سکتے ہیں۔ "درحقیقت، ہم فی الحال خالص PtBi میں سپر کنڈکٹنگ گیپ میں انیسوٹروپی کے امکان کی تحقیقات کر رہے ہیں۔₂ اور اس میں ٹاپولوجیکل سپر کنڈکٹیوٹی کو محسوس کرنے کے طریقے تلاش کرنے کے لیے مواد کے تبدیل شدہ سنگل کرسٹل میں ملتے جلتے اشیاء کو دریافت کرنے کی کوشش کر رہے ہیں،" وہ بتاتا ہے۔ طبیعیات کی دنیا.

تاہم، میجرانا صفر کے طریقوں کا پتہ لگانا آسان نہیں ہے، لیکن PtBi میں₂ جب فرمی آرکس میں سپر کنڈکٹنگ خلا کھلتے ہیں تو وہ ظاہر ہوسکتے ہیں۔ بوریسینکو کا کہنا ہے کہ مواد کے الیکٹرانک ڈھانچے کے بہت زیادہ تفصیلی تجزیوں کی ضرورت ہوگی، تاہم، اس کی تصدیق کے لیے۔

دو مقناطیسی مواد کو ملانا

ایک علیحدہ مطالعہ میں، پین اسٹیٹ یونیورسٹی کے محققین نے ایک فیرو میگنیٹک ٹوپولاجیکل انسولیٹر اور ایک اینٹی فیرو میگنیٹک آئرن چالکوجینائیڈ (FeTe) کو اکٹھا کیا۔ انہوں نے دو مادوں کے درمیان انٹرفیس پر مضبوط چیرل سپر کنڈکٹیویٹی کا مشاہدہ کیا - ایسی چیز جو غیر متوقع ہے کیونکہ سپر کنڈکٹیویٹی اور فیرو میگنیٹزم عام طور پر ایک دوسرے کے ساتھ مقابلہ کرتے ہیں، مطالعہ ٹیم کے رکن کی وضاحت کرتا ہے۔ چاو زنگ لیو.

ٹیم کے رکن کا کہنا ہے کہ "یہ حقیقت میں کافی دلچسپ ہے کیونکہ ہمارے پاس دو مقناطیسی مواد ہیں جو غیر سپر کنڈکٹنگ ہیں، لیکن ہم انہیں ایک ساتھ رکھتے ہیں اور ان دو مرکبات کے درمیان انٹرفیس بہت مضبوط سپر کنڈکٹیوٹی پیدا کرتا ہے،" ٹیم کے رکن کا کہنا ہے کہ کیو زو چانگ. "Iron chalcogenide antiferromagnetic ہے، اور ہم توقع کرتے ہیں کہ اس کی antiferromagnetic خاصیت انٹرفیس کے ارد گرد کمزور ہو گئی ہے تاکہ ابھرتی ہوئی سپر کنڈکٹیوٹی کو جنم دے، لیکن ہمیں اس بات کی تصدیق کے لیے مزید تجربات اور نظریاتی کام کی ضرورت ہے کہ آیا یہ سچ ہے اور سپر کنڈکٹنگ میکانزم کو واضح کرنے کے لیے۔"

Weyl loops لنک اپ

ایک بار پھر، نظام، جس میں تفصیلی ہے سائنسوہ کہتے ہیں کہ، مجورانہ طبیعیات کی تلاش کے لیے ایک امید افزا پلیٹ فارم ہو سکتا ہے۔

بوریسینکو کا کہنا ہے کہ پین اسٹیٹ کے محققین کا ڈیٹا "بہت دلچسپ" ہے اور جیسا کہ ان کے گروپ کے کام میں، لیو، چانگ اور ساتھیوں نے مختلف قسم کے انٹرفیس میں ہونے کے باوجود، غیر معمولی سپر کنڈکٹیویٹی کا ثبوت پایا ہے۔ "ہمارے کام میں، سطح دو مادّوں کے درمیان ہونے کی بجائے بلک اور ویکیوم کے درمیان ایک انٹرفیس ہے،" وہ کہتے ہیں۔

پین اسٹیٹ کے محققین کا مقصد ٹاپولوجیکل سپر کنڈکٹیویٹی کو ثابت کرنا بھی ہے لیکن انہوں نے ضروری اجزاء شامل کیے ہیں - سمیٹری بریکنگ اور ٹوپولوجی - زیادہ مصنوعی طریقے سے متعلقہ مواد کو ایک ہیٹرسٹرکچر بنانے کے لیے اکٹھا کر کے، وہ بتاتے ہیں۔ "ہمارے معاملے میں، Weyl semimetals کی منفرد نوعیت کی وجہ سے، یہ اجزاء قدرتی طور پر ایک ہی مواد میں موجود ہوتے ہیں۔"

• SEO سے چلنے والا مواد اور PR کی تقسیم۔ آج ہی بڑھا دیں۔
• پلیٹو ڈیٹا ڈاٹ نیٹ ورک ورٹیکل جنریٹو اے آئی۔ اپنے آپ کو بااختیار بنائیں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹوآئ اسٹریم۔ ویب 3 انٹیلی جنس۔ علم میں اضافہ۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ای ایس جی۔ کاربن، کلین ٹیک، توانائی ، ماحولیات، شمسی، ویسٹ مینجمنٹ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ہیلتھ۔ بائیوٹیک اینڈ کلینیکل ٹرائلز انٹیلی جنس۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• ماخذ: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/