जुलाई 24, 2021

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एमआईटी भौतिकविदों ने पता लगाया है कि ‘मैजिक एंगल’ थ्री-लेयर ग्राफीन एक दुर्लभ, चुंबकीय-प्रतिरोधी सुपरकंडक्टर हो सकता है।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिकविदों ने ट्विस्टेड थ्री-लेयर ग्राफीन के “मैजिक एंगल” नामक सामग्री में एक दुर्लभ प्रकार की अतिचालकता के संकेत देखे हैं। श्रेय: पाब्लो जारिलो-हेरेरो, युआन काओ, जियोंग मिन पार्क, एट अल के सौजन्य से

नए निष्कर्ष अधिक शक्तिशाली एमआरआई मशीनों या शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटरों को डिजाइन करने में मदद कर सकते हैं।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिकविदों ने मैजिक-एंगल ट्विस्टेड थ्री-लेयर ग्राफीन नामक सामग्री में एक दुर्लभ प्रकार की अतिचालकता के संकेत देखे हैं। में प्रदर्शित होने वाले एक अध्ययन में प्रकृतिशोधकर्ताओं की रिपोर्ट है कि सामग्री 10 टेस्ला तक के आश्चर्यजनक रूप से उच्च चुंबकीय क्षेत्रों में सुपरकंडक्टिविटी प्रदर्शित करती है, जो कि पारंपरिक सुपरकंडक्टर होने पर सामग्री का सामना करने की अपेक्षा से तीन गुना अधिक है।

परिणाम दृढ़ता से सुझाव देते हैं कि जादुई तीन-परत ग्राफीन, जिसे शुरू में एक ही समूह द्वारा खोजा गया था, एक बहुत ही दुर्लभ प्रकार का सुपरकंडक्टर है, जिसे “स्पिन ट्रिपलेट” के रूप में जाना जाता है, जो उच्च चुंबकीय क्षेत्रों के लिए अभेद्य है। ऐसे विदेशी सुपरकंडक्टर्स चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग जैसी तकनीकों में बहुत सुधार कर सकते हैं, जो जैविक ऊतकों के साथ प्रतिध्वनित करने और उनकी छवि बनाने के लिए चुंबकीय क्षेत्र के तहत सुपरकंडक्टिंग तारों का उपयोग करते हैं। एमआरआई मशीनें वर्तमान में 1 से 3 टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र तक सीमित हैं। यदि उन्हें ट्रिपल-स्पिन सुपरकंडक्टर्स का उपयोग करके बनाया जा सकता है, तो एमआरआई मानव शरीर की स्पष्ट, गहरी छवियों का उत्पादन करने के लिए उच्च चुंबकीय क्षेत्रों के तहत काम कर सकता है।

ट्रिपल-लेयर्ड ग्राफीन में ट्रिपल स्पिन सुपरकंडक्टिविटी के नए सबूत भी वैज्ञानिकों को व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए मजबूत सुपरकंडक्टर्स डिजाइन करने में मदद कर सकते हैं।

“इस प्रयोग का मूल्य यह है कि यह हमें बुनियादी सुपरकंडक्टिविटी के बारे में सिखाता है, और सामग्री कैसे व्यवहार कर सकती है, ताकि इन पाठों के साथ हम अन्य सामग्रियों के लिए सिद्धांतों को डिजाइन करने का प्रयास कर सकें, और शायद यह आपको बेहतर सुपरकंडक्टिविटी देगा, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में भौतिकी के सेसिल और इडा ग्रीन प्रोफेसर पाब्लो जारिलो-हेरेरो कहते हैं।

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कागज पर सह-लेखकों में युआन काओ और मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में स्नातक छात्र जियोंग मिन पार्क, जापान में नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ मैटेरियल्स साइंस के केंजी वतनबे और ताकाशी तानिगुची शामिल हैं।

अजीब परिवर्तन

सुपरकंडक्टिंग सामग्री को ऊर्जा हानि के बिना बिजली का संचालन करने की उनकी अत्यधिक कुशल क्षमता द्वारा परिभाषित किया गया है। जब एक विद्युत प्रवाह के संपर्क में आता है, तो एक सुपरकंडक्टर में इलेक्ट्रॉन “कूपर जोड़े” में जुड़ जाते हैं, जो तब बिना किसी प्रतिरोध के सामग्री के माध्यम से यात्रा करते हैं, जैसे कि तेज ट्रेन में यात्री।

सुपरकंडक्टर्स के विशाल बहुमत में, इन यात्री जोड़े में एक विपरीत स्पिन होता है, जिसमें एक इलेक्ट्रॉन ऊपर घूमता है और दूसरा नीचे – एक कॉन्फ़िगरेशन जिसे “स्पिन एकवचन” के रूप में जाना जाता है। उच्च चुंबकीय क्षेत्रों को छोड़कर, इन जोड़ों को एक सुपरकंडक्टर द्वारा त्वरित किया जाता है, जो प्रत्येक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा को विपरीत दिशाओं में स्थानांतरित कर सकते हैं, जोड़ी को एक दूसरे से अलग कर सकते हैं। इस तरह, और तंत्र के माध्यम से, उच्च चुंबकीय क्षेत्र पारंपरिक स्पिन सुपरकंडक्टर्स में अतिचालकता को बाधित कर सकते हैं।

“यह अंतिम कारण है कि सुपरकंडक्टिविटी एक बड़े पर्याप्त चुंबकीय क्षेत्र में गायब हो जाती है,” पार्क कहते हैं।

लेकिन कुछ अजीब सुपरकंडक्टर्स हैं जो चुंबकीय क्षेत्र से अप्रभावित हैं, यहां तक ​​​​कि बहुत बड़ी ताकत भी। ये सामग्री एक ही स्पिन वाले इलेक्ट्रॉनों के जोड़े के माध्यम से अतिचालक हैं – एक संपत्ति जिसे “ट्रिपल स्पिन” के रूप में जाना जाता है। उच्च चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में आने पर, कूपर जोड़ी में दोनों इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा एक ही दिशा में शिफ्ट हो जाती है, इस तरह से वे एक-दूसरे से अलग नहीं होते हैं, लेकिन चुंबकीय क्षेत्र की ताकत की परवाह किए बिना, बिना अशांति के अतिचालक होते रहते हैं।

जारिलो-हेरेरो का समूह इस बात को लेकर उत्सुक था कि क्या ट्रिपल-लेयर्ड मैजिक-एंगल ग्राफीन असामान्य ट्रिपल-स्पिन सुपरकंडक्टिविटी का सुराग दे सकता है। टीम ने ग्रैफेन मोइरे संरचनाओं का अध्ययन करने वाले ग्राउंडब्रैकिंग कार्य का उत्पादन किया है – परमाणु-पतली कार्बन जाली की परतें, जब विशिष्ट कोणों पर खड़ी होती हैं, तो आश्चर्यजनक इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार हो सकते हैं।

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शोधकर्ताओं ने शुरू में ग्रेफीन की दो कोण वाली चादरों में ऐसे अजीबोगरीब गुणों की सूचना दी, जिन्हें उन्होंने मैजिक बाइलेयर ग्राफीन कहा। उन्होंने जल्द ही त्रि-परत ग्रैफेन के परीक्षणों का पालन किया, जो ग्रैफेन की तीन चादरों का एक सैंडविच-गठन था जो उच्च तापमान पर अपनी अतिचालकता बनाए रखते हुए अपने दो-परत समकक्ष से मजबूत पाया गया था। जब शोधकर्ताओं ने एक मामूली चुंबकीय क्षेत्र लागू किया, तो उन्होंने देखा कि तीन-परत ग्रेफीन क्षेत्र की ताकत पर अतिचालकता में सक्षम था जो बिलीयर ग्रैफेन में अतिचालकता को नष्ट कर देगा।

“हमने सोचा था कि यह एक बहुत ही अजीब बात थी,” जारिलो हेरेरो कहते हैं।

चमत्कारी वापसी

अपने नए अध्ययन में, भौतिकविदों ने तेजी से उच्च चुंबकीय क्षेत्रों के तहत तीन-परत ग्राफीन की अतिचालकता का परीक्षण किया। उन्होंने ग्रेफाइट के एक ब्लॉक से कार्बन की पतली परतों को एक्सफोलिएट करके, तीन परतों को एक साथ जोड़कर और बाहरी परतों के संबंध में मध्य परत को 1.56 डिग्री घुमाकर सामग्री का निर्माण किया। उन्होंने इसके माध्यम से करंट चलाने के लिए और इस प्रक्रिया में खोई हुई किसी भी ऊर्जा को मापने के लिए सामग्री के दोनों छोर पर एक इलेक्ट्रोड लगाया। फिर उन्होंने प्रयोगशाला में एक बड़े चुंबक को चालू किया, एक क्षेत्र के साथ उन्होंने सामग्री के समानांतर निर्देशित किया।

जब उन्होंने थ्री-लेयर ग्राफीन के आसपास चुंबकीय क्षेत्र में वृद्धि की, तो उन्होंने देखा कि सुपरकंडक्टिविटी गायब होने से पहले काफी मजबूती से बनी रही, लेकिन फिर उच्च क्षेत्र की ताकत पर फिर से उभरी – एक बहुत ही असामान्य पुनरुत्थान जो पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स में नहीं होता है।

“सिंगल स्पिन सुपरकंडक्टर्स में, यदि आप सुपरकंडक्टिविटी को मारते हैं, तो यह कभी वापस नहीं आता है – यह हमेशा के लिए चला जाता है,” काओ कहते हैं। “यहाँ, वह फिर से प्रकट हुआ। तो यह निश्चित रूप से इंगित करता है कि यह सामग्री एक टुकड़ा नहीं है।”

उन्होंने यह भी नोट किया कि “पुनः प्रवेश” के बाद, अतिचालकता 10 टेस्ला तक बनी रही, अधिकतम क्षेत्र शक्ति जो एक प्रयोगशाला चुंबक उत्पन्न कर सकती है। पाउली सीमा के अनुसार, एक सिद्धांत जो अधिकतम चुंबकीय क्षेत्र की भविष्यवाणी करता है जिसमें एक सामग्री सुपरकंडक्टिविटी बनाए रख सकती है, यह एक पारंपरिक स्पिन सिंगल होने पर एक सुपरकंडक्टर को झेलने की तुलना में लगभग तीन गुना अधिक है।

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ट्रिपल-लेयर ग्राफीन सुपरकंडक्टिविटी की उपस्थिति, उच्च-से-अपेक्षित चुंबकीय क्षेत्रों में इसकी स्थिरता के साथ संयुक्त, इस संभावना को खारिज करती है कि सामग्री एक साधारण सुपरकंडक्टर है। इसके बजाय, यह एक बहुत ही दुर्लभ, शायद ट्रिपल, प्रजाति होने की संभावना है जो कूपर जोड़े को होस्ट करती है जो सामग्री के माध्यम से गति करती है, उच्च चुंबकीय क्षेत्रों के लिए अभेद्य है। टीम इसकी सटीक स्पिन स्थिति की पुष्टि करने के लिए सामग्री में ड्रिल करने की योजना बना रही है, जो अधिक शक्तिशाली एमआरआई, साथ ही साथ अधिक शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर डिजाइन करने में मदद कर सकती है।

जारिलो हेरेरो कहते हैं, “नियमित क्वांटम कंप्यूटिंग बहुत नाजुक है।” “आप इसे देखते हैं और यह होमो गायब हो जाता है। लगभग 20 साल पहले, सिद्धांतकारों ने एक प्रकार की टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टिविटी का प्रस्ताव रखा था, जो किसी भी सामग्री में हासिल की जा सकती थी, [enable] एक क्वांटम कंप्यूटर जहां गणना के लिए जिम्मेदार राज्य बहुत शक्तिशाली होते हैं। यह कंप्यूटिंग करने के लिए और अधिक अनंत शक्ति देगा। एक निश्चित प्रकार के ट्रिपल स्पिन सुपरकंडक्टर्स के बारे में जागरूक होने वाला प्रमुख तत्व है। हमें नहीं पता कि हमारी प्रजाति उस तरह की है या नहीं। लेकिन अगर ऐसा नहीं भी होता, तो यह इस प्रकार की अतिचालकता को इंजीनियर करने के लिए अन्य सामग्रियों के साथ तीन-परत ग्राफीन रखने की सुविधा प्रदान कर सकता है। यह एक बेहतरीन हैक हो सकता है। लेकिन अभी बहुत जल्दी है।”

संदर्भ: युआन काओ, जियोंग मिन पार्क, केंजी वतनबे, ताकाशी तानिगुची, और पाब्लो जारिलो-हेरेरो द्वारा “पॉली सीमा का उल्लंघन और रिपल ग्रेफीन में सुपरकंडक्टिविटी का पुन: प्रवेश”, 21 जुलाई, 2021, प्रकृति.
डीओआई: 10.1038 / s41586-021-03685-y

इस शोध को यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी, नेशनल साइंस फाउंडेशन, गॉर्डन एंड बेट्टी मूर फाउंडेशन, रेमन एरिस फाउंडेशन और सेवरे क्वांटम मैटेरियल्स प्रोग्राम द्वारा समर्थित किया गया था।