MIT के भौतिकविदों ने एक क्वांटम सामग्री को लेज़रों से छेड़ा है, और उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन खुद को दो बहुत अलग तरीकों से पुनर्गठित कर सकते हैं - एक वाष्पित होते पानी की तरह चिकना, दूसरा जमती बर्फ की तरह ढेलेदार। नेचर फिजिक्स में प्रकाशित यह अध्ययन, इस बात पर प्रकाश डालता है कि एक ही सामग्री में कई इलेक्ट्रॉनिक चरण कैसे सह-अस्तित्व में रह सकते हैं, जो एक दिन हमें बेहतर क्वांटम डिवाइस बनाने में मदद कर सकता है और, आप जानते हैं, शायद सिलिकॉन की जगह ले सकता है।

"लोग मानते हैं कि सिलिकॉन की जगह लेने की आधारशिला क्वांटम सामग्री में निहित है जिसमें कई सह-अस्तित्व वाले चरण होते हैं," सह-लेखक अल्फ्रेड ज़ोंग पीएचडी '20, जो अब स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में सहायक प्रोफेसर हैं, कहते हैं। "हमारा प्रयोग इन कई चरणों का अध्ययन करने का एक बहुत ही साफ तरीका प्रदान करता है।"

MIT में भौतिकी के डोनर प्रोफेसर, नुह गेदिक के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने एर्बियम ट्राइटेल्यूराइड की जांच की, जो एक दुर्लभ-पृथ्वी सामग्री है जिसमें गंभीर इलेक्ट्रॉनिक रवैया है। सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन समान रूप से फैले होते हैं, लेकिन इसे ठंडा करें और वे चार्ज डेंसिटी वेव (CDW) नामक एक लहर के आकार की व्यवस्था बनाना शुरू कर देते हैं। इसे और ठंडा करें, और पहले के लंबवत एक दूसरी लहर दिखाई देती है, जो एक परमाणु-पैमाने पर शतरंज की बिसात बनाती है जो किसी भी शतरंज ग्रैंडमास्टर को ईर्ष्यालु बना देगी।

टीम दो चरणों को अलग करने और यह देखने में सफल रही कि प्रत्येक कैसे बनता है। पहला चरण, 'प्रमुख' चरण, सामग्री में धीरे-धीरे प्रकट होता है, जैसे पानी भाप में बदल जाता है। दूसरा, 'उप-प्रमुख' चरण, हालांकि, अलग-अलग क्षेत्रों में शुरू होता है और बाहर की ओर फैलता है, जैसे आपके पेय में बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं। यह अंतर महत्वपूर्ण है: पहला एक पाठ्यपुस्तक दूसरे क्रम का संक्रमण है, जबकि दूसरा पहले क्रम का संक्रमण है, और यह एक आश्चर्य है।

"इस दूसरे चरण के उद्भव के लिए जिम्मेदार तंत्र पर लंबे समय से बहस चल रही है, और हमारा दृष्टिकोण क्वांटम सामग्री में चरण संक्रमण के पीछे छिपी भौतिकी को उजागर करने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करता है," गेदिक कहते हैं।

प्रयोग एक क्लासिक 'हिलाओ और सुनो' दिनचर्या था। टीम ने एर्बियम ट्राइटेल्यूराइड के परमाणु रूप से पतले नमूनों को लगभग -230 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा किया, फिर उन्हें दो लेज़र दालों से छेड़ा। पहली पल्स ने सिस्टम को 'हिला' दिया, इलेक्ट्रॉनिक शतरंज की बिसात को तोड़ दिया, और दूसरी पल्स ने समय के साथ इलेक्ट्रॉनों के ठीक होने के तरीके की तस्वीरें लीं। प्रमुख लहर चाहे कितनी भी जोर से मारी जाए, आसानी से वापस उछल गई, लेकिन उप-प्रमुख लहर बिखरे हुए बीजों से विकसित हुई, जैसे सुपरकूल्ड पानी में बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं।

यह व्यवहार अपेक्षित नहीं था, और यह अंततः दूसरे CDW चरण के पीछे लंबे समय से बहस वाले तंत्र की पहचान करता है। और जबकि एर्बियम ट्राइटेल्यूराइड अपने आप में अच्छा है, असली इनाम उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स जैसी अधिक जटिल सामग्रियों को समझना है, जहां कई चरण (चुंबकत्व, सुपरकंडक्टिविटी, CDW) सभी सह-अस्तित्व में हैं और बातचीत करते हैं।

"बहुत अधिक जटिल प्रणालियों में, जैसे उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स, आप देखते हैं कि कई चरण हैं - चुंबकत्व, सुपरकंडक्टिविटी, चार्ज डेंसिटी वेव्स, और वे सभी एक साथ मौजूद हैं," गेदिक कहते हैं। "एक सिद्धांत यह है कि जिस तरह से वे एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं वह उनके विदेशी गुणों की कुंजी है। हम यहां जो सबक सीखते हैं उसे बहुत अधिक जटिल सामग्रियों पर लागू किया जा सकता है।"

शोध को अमेरिकी ऊर्जा विभाग, अमेरिकी राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन, और गॉर्डन और बेटी मूर फाउंडेशन के EPiQS पहल अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था। सामग्री मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी द्वारा प्रदान की गई। मूल रूप से जेनिफर चू द्वारा लिखित। नोट: सामग्री को शैली और लंबाई के लिए संपादित किया जा सकता है।