पिछली दो शताब्दियों में अधिकतर समय हमें बिजली के बारे में ज्यादा सोचना नहीं पड़ा है। इस अवधि की शुरुआत में, हम यह समझना शुरू ही कर रहे थे कि यह क्या था। और अंत में, जलवायु परिवर्तन और नवीकरणीय ऊर्जा ने इसे हमारे दिमाग में एक निरंतर विचार बना दिया है। लेकिन बीच के कई दशकों तक, हम इसे हल्के में ले सकते थे। बिजली, अधिकांश समय, बस एक स्विच के पीछे की चीज़ होती थी। यदि आप स्विच को फ़्लिप करते हैं, तो इलेक्ट्रॉन एक तार के माध्यम से चले जाएंगे। यदि आपने वोल्टेज बढ़ा दिया, तो अधिक धारा प्रवाहित होगी।
लेकिन आज, एक और तरीका है जिसमें कुछ लोग इलेक्ट्रॉनों के बारे में सोच रहे हैं – एक ऐसा तरीका जो किसी दिन भविष्य को बदल सकता है। वैज्ञानिकों ने पाया है कि कुछ सामग्रियों के अंदर, विषम परिस्थितियों में, बिजली अत्यधिक असामान्य तरीके से व्यवहार करती है। इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र कण होना बंद कर देते हैं और एक साथ चलना शुरू कर देते हैं। वे अलौकिक परिशुद्धता के साथ किनारों के चारों ओर बहते हैं। सबसे अधिक, कण टुकड़ों में विभाजित प्रतीत होते हैं, जिनमें से प्रत्येक में स्पष्ट रूप से एक इलेक्ट्रॉन के आवेश का एक अंश होता है।
रैंप से लेकर सीढ़ी तक
भौतिकी ने कई अजीब खोजें की हैं – लेकिन इसकी सबसे अजीब खोज का असली दावेदार आंशिक क्वांटम हॉल प्रभाव (एफक्यूएचई) है, जो वह जगह है जहां इलेक्ट्रॉन उन अजीब तरीकों से व्यवहार करते हैं। हाल ही में, भौतिक विज्ञानी इसे उन शर्तों में से किसी एक के बिना फिर से बनाकर इसे और भी अजीब बनाने में सक्षम हुए, जिन्हें वे इसके लिए अपरिहार्य मानते थे।
1879 में अमेरिकी भौतिक विज्ञानी एडविन हॉल को कुछ अजीब लगा। यदि धातु की प्लेट से विद्युत प्रवाह तब होता है जब चुंबकीय क्षेत्र प्लेट के लंबवत होता है, तो विद्युत धारा एक पार्श्व धक्का का अनुभव करती है। (एक अजीब कारण यह था कि जे जे थॉम्पसन ने 18 साल बाद इलेक्ट्रॉन की खोज नहीं की थी।) वैज्ञानिकों ने बाद में बताया कि क्यों: चुंबकीय क्षेत्र गतिमान आवेशों को किनारे की ओर धकेलता है, जिससे प्लेट के किनारों पर विद्युत आवेश जमा हो जाता है, जिससे धातु में वोल्टेज पैदा होता है। इसे हॉल प्रभाव कहा जाने लगा। आपके स्मार्टफ़ोन में कंपास इसका उपयोग उत्तर की ओर इंगित करने के लिए करता है।
हमेशा की तरह, क्वांटम यांत्रिकी के उदय ने तस्वीर को जटिल बना दिया। 1980 के दशक की शुरुआत में, भौतिक विज्ञानी चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके परम शून्य से कुछ ही ऊपर के तापमान पर बहुत साफ सामग्री का अध्ययन कर रहे थे। जब उन्होंने क्षेत्र की ताकत को एक बिंदु से अधिक बढ़ा दिया, तो धारा द्वारा अनुभव किया जाने वाला प्रतिरोध – जिसे हॉल प्रतिरोध कहा जाता है – सुचारू रूप से बदलना बंद हो गया। इसके बजाय, इसने अलग-अलग मूल्य अपनाए। उदाहरण के लिए, जब पहले यह 1 से 1.1 से 1.2 से 1.3 और इसी तरह बदल सकता था, अब यह केवल 1 या 2 या 3 या इसी तरह बदल सकता है, जैसे रैंप का उपयोग करने में सक्षम होने के बजाय सीढ़ियाँ चढ़ना। दूसरे शब्दों में, भौतिकविदों ने पाया कि प्रतिरोध परिमाणित हो गया है। और उन्होंने इसे पूर्णांक क्वांटम हॉल प्रभाव कहा।
एक बार फिर, उन्हें जल्द ही एक स्पष्टीकरण मिल गया। आम तौर पर, किसी पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों में ऊर्जा की एक श्रृंखला हो सकती है। लेकिन जब उन पर एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र कार्य करता है, तो सीमा स्तरों का एक समूह बन जाती है, जिसे लैंडौ स्तर कहा जाता है। और इलेक्ट्रॉन केवल इन स्तरों पर ही कब्जा कर सकते हैं। यह वैसा ही है जैसे पहले एक कमरे में लोगों का एक समूह जहां चाहे लेट सकता था – चार बिस्तरों में से एक पर या बीच में फर्श पर – अब वे केवल बिस्तरों पर ही रह सकते हैं। इस स्थिति में, सामग्री अंदर से एक इन्सुलेटर और अपनी सीमाओं पर एक बहुत अच्छा कंडक्टर बन जाती है।
इलेक्ट्रॉनों का महासागर
फिर, 1982 में, भौतिकविदों को उन सभी में सबसे अजीब चीज़ मिली। कभी-कभी, हॉल प्रतिरोध केवल पूर्ण-संख्या चरणों (1, 2, 3,…) में होता है, लेकिन कभी-कभी यह भिन्नों के रूप में भी हो सकता है: 1/3, 2/5, 3/7, आदि। यह एफक्यूएचई था।
(यहां अंश सामग्री के प्राकृतिक हॉल प्रतिरोध के गुणक को संदर्भित करता है। उदाहरण के लिए, यदि प्राकृतिक प्रतिरोध 50 Ω है, तो 2/5 का आंशिक हॉल प्रतिरोध 20 Ω के मापा प्रतिरोध को दर्शाता है।)
पहली नज़र में, यह असंभव होना चाहिए: इलेक्ट्रॉन अविभाज्य कण हैं – आप उन्हें छोटे टुकड़ों में नहीं तोड़ सकते हैं – और प्रत्येक इलेक्ट्रॉन एक निश्चित मात्रा में विद्युत आवेश वहन करता है। फिर भी हॉल प्रतिरोध अंशों में बदलता हुआ प्रतीत हो रहा था, मानो किसी इलेक्ट्रॉन के आवेश के केवल एक अंश के साथ वस्तुओं द्वारा धारा प्रवाहित की जा रही हो। तो फिर 1/3 क्या था?
इसका उत्तर क्वांटम यांत्रिकी से आया। जब कई इलेक्ट्रॉन दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने के लिए एक साथ आते हैं, तो वे एक सामूहिक क्वांटम अवस्था बनाते हैं – एक प्रकार की तरल अवस्था जिसमें व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों को अलग करना असंभव है। यह एक महासागर की तरह है: आप इसमें गिराई गई एक भी पानी की बूंद को अलग नहीं कर सकते। और समुद्र में लहरों की तरह – जहां कोई भी बूंद किनारे तक नहीं जाती है, लेकिन पूरे पानी में एक गतिमान पैटर्न होता है – सामूहिक क्वांटम स्थिति का एक हिस्सा ऐसा व्यवहार कर सकता है जैसे कि उसके पास इलेक्ट्रॉन के चार्ज का केवल एक अंश हो।
भौतिक विज्ञानी आम तौर पर इन भागों को क्वासिपार्टिकल्स कहते हैं। इस विशेष मामले में, क्वासिपार्टिकल्स बहुत असामान्य थे। वे एनीओन्स नामक एक प्रकार के थे। इसका मतलब यह है कि उनके पास एक बहुत ही असामान्य गुण भी होगा: वे जानकारी संग्रहीत करने में अन्य कणों (या क्वासिपार्टिकल्स) की तुलना में बहुत अधिक मजबूत होंगे।
एक क्षेत्र का ‘फर्जीवाड़ा’ करना
हालाँकि, एक बड़ी व्यावहारिक समस्या है. FQHE एनीओनिक क्वासिपार्टिकल्स को जन्म देता है। लेकिन प्रभाव पैदा करने के लिए, भौतिकविदों को सामग्री पर एक बहुत मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लागू करने की आवश्यकता होती है – कभी-कभी अस्पताल के एमआरआई स्कैनर से भी अधिक मजबूत। और सामग्री को बहुत साफ होना चाहिए (यानी लगभग पूरी तरह से अशुद्धियों से मुक्त) और पूर्ण शून्य के करीब रखा जाना चाहिए। कम से कम चार दशकों तक प्रयास करने पर भौतिकविदों ने पाया कि एफक्यूएचई बनाने का यही एकमात्र तरीका था। जाहिर है यह व्यावहारिक नहीं है.
FQHE – लेकिन विशेष रूप से इसे जन्म देने वाले किसी भी व्यक्ति को – भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों को जानकारी को शोर से बचाने में मदद कर सकता है, जो आज उद्यम की सबसे कठिन अनसुलझी समस्याओं में से एक है। 2025 में, माइक्रोसॉफ्ट ने कहा इसने एक क्वांटम कंप्यूटिंग चिप बनाई थी जो एक अलग तकनीक का उपयोग करके किसी को भी तैयार करती थी, और उनका उपयोग सूचनाओं को संग्रहीत करने और हेरफेर करने के लिए करती थी। (हालांकि, कई वैज्ञानिक कंपनी के दावों पर संदेह करते हैं: अन्य चिंताओं के बीच, यह सवाल बना हुआ है कि क्या चिप में वास्तव में कोई भी है और इसका सत्यापन किन तरीकों से किया जा सकता है।)
एक सफलता 2024 में मिली। यह वास्तव में कुछ चतुराई से काम करने पर आधारित थी बहुत परिष्कृत: यदि एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र किसी सामग्री के इलेक्ट्रॉनों को असामान्य पैटर्न में व्यवस्थित करता है, तो क्या सामग्री के भीतर से ही क्षेत्र की भूमिका ‘नकली’ हो सकती है?
इलेक्ट्रॉनों के लिए एक सैंडविच
यदि सामग्री ग्राफीन है तो उत्तर ‘हाँ’ है। ग्राफीन एक छत्ते के पैटर्न में व्यवस्थित कार्बन परमाणुओं की एक शीट है। 2000 के दशक से, भौतिकविदों ने पाया है कि यदि आप ग्राफीन की एक परत को दूसरे पर रखते हैं और इसे एक छोटे कोण से घुमाते हैं – यानी मुड़े हुए बाइलेयर ग्राफीन – तो स्टैक में इलेक्ट्रॉन अजीब व्यवहार करते हैं। इस संरचना में परमाणुओं का ग्रिड मोइरे सुपरलैटिस कहलाता है, जो अनिवार्य रूप से इलेक्ट्रॉनों को काफी धीमा कर देता है। जब इलेक्ट्रॉन धीमे हो गए, तो उन्होंने एक (दृढ़ता से) सामूहिक क्वांटम अवस्था बनाई – उस तरह की अवस्था जिसने पहले FQHE को जन्म दिया था। लेकिन इस बार कोई चुंबकीय क्षेत्र नहीं था; मोइरे सुपरलैटिस पुनः निर्मित किया था क्षेत्र के अपेक्षित प्रभाव.
4° से मुड़ी हुई दो ग्राफीन शीटों को सुपरपोज़ करके बनाया गया एक मोइरे पैटर्न। | फोटो साभार: पोनोर (CC BY-SA)
ट्विस्टेड बाइलेयर ग्राफीन है कई अजीब इलेक्ट्रॉनिक गुण. हालाँकि, यह पर्याप्त रूप से मजबूत सामूहिक क्वांटम स्थिति बनाने के लिए इलेक्ट्रॉनों को धीमा नहीं करता है। आमतौर पर, किसी पदार्थ में इलेक्ट्रॉन अपने पारस्परिक प्रतिकर्षण को अनदेखा करने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा के साथ इधर-उधर घूम रहे होते हैं। इसका मतलब यह नहीं है कि वे एक-दूसरे से टकराते हैं – ऐसा लगता है कि वे एक-दूसरे को धक्का दिए बिना भी एक-दूसरे से आगे निकल सकते हैं। दूसरी ओर, एफक्यूएचई की मांग है कि इलेक्ट्रॉनों का पारस्परिक प्रतिकर्षण अधिक मजबूत बल होना चाहिए। इसके लिए, इलेक्ट्रॉनों को एक विशिष्ट बिंदु से परे धीमा करने की आवश्यकता होती है, और मुड़ा हुआ बाइलेयर ग्राफीन वास्तव में इसके लिए स्थितियां नहीं बना रहा था।
पेंटालेयर ग्राफीन डालें। कई प्रयोगों के बाद, भौतिकविदों ने पाया कि जब उन्होंने स्टैक में अधिक ग्राफीन परतें जोड़ीं, तो इलेक्ट्रॉन अधिक धीमे हो गए। पाँच परतों के साथ – प्रत्येक परत को नीचे वाले के सापेक्ष एक छोटे कोण द्वारा घुमाया गया – हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड के एक सब्सट्रेट के ऊपर रखा गया, इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा काफी गिरा दिया इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन अंतःक्रियाओं के प्रभावी होने के लिए।
(एक तरफ: यदि इलेक्ट्रॉन इस अवस्था में एक-दूसरे को प्रतिकर्षित कर रहे हैं, तो वे अलग-अलग उड़ने के बजाय एक सामूहिक क्वांटम अवस्था कैसे बनाते हैं? जब इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे को प्रतिकर्षित कर रहे होते हैं, लेकिन सीमित भी होते हैं, तो उनके पास अलग-अलग उड़ने की विलासिता नहीं होती है। इसके बजाय, वे खुद को बेहतर ढंग से व्यवस्थित करते हैं, जिससे सामूहिक क्वांटम अवस्था प्राप्त होती है – एक समझौता समझौते की तरह जहां वे एक-दूसरे का विरोध नहीं करने पर सहमत होते हैं।)
क्वांटम सामग्री
2024 में, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में लॉन्ग जू के नेतृत्व में एक टीम सूचना दी इसने पेंटालेयर ग्राफीन में FQHE का पता लगाया था। उन्होंने इसे एफक्यूएएचई कहा – ‘ए’ का मतलब विसंगतिपूर्ण था, जिसका अर्थ है कि इसे चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किए बिना हासिल किया गया था। टीम ने 2/3 और 3/5 जैसे हॉल प्रतिरोध का अवलोकन करने की सूचना दी।
उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि ग्राफीन की पांच परतों द्वारा निर्मित मोइरे सुपरलैटिस ने चुंबकीय क्षेत्र के प्रभावों की नकल करते हुए आवश्यक संरचनात्मक विशेषताएं उत्पन्न की थीं।
FQAHE के प्रायोगिक अवलोकन का मतलब यह नहीं है कि अंतर्निहित विज्ञान वास्तविक दुनिया में उपयोग के लिए तैयार है। चुंबकीय क्षेत्र के साथ या उसके बिना, भौतिकविदों को अभी भी सामग्री को अति-स्वच्छ रखने और बहुत कम तापमान पर इसके साथ काम करने की आवश्यकता है। उन्हें उन कोणों को भी प्राप्त करने की आवश्यकता है जिन पर ग्राफीन परतें सब्सट्रेट के सापेक्ष बहुत करीब घूमती हैं। यहां तक कि एक छोटा सा विचलन भी इलेक्ट्रॉनों को धीमा और सीमित करने के लिए आवश्यक आदर्श मोइरे सुपरलैटिस गुणों को नष्ट कर सकता है। अंततः, FQAHE भी तभी प्रकट होता है जब सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की ‘सही’ संख्या होती है, जिसे भौतिक विज्ञानी सही मात्रा में वोल्टेज लगाकर नियंत्रित कर सकते हैं।
तब से, भौतिकविदों ने इन नियंत्रणों को ठीक करके रास्ते खोज लिये हैं अधिक मजबूत FQAHE राज्य बनाने के लिए। उनमें से कई अधिक उन्नत क्वांटम कंप्यूटरों के लिए एनीओनिक क्वासिपार्टिकल्स के महत्व के कारण चलते रहते हैं – और वास्तव में भौतिकी की एक पूरी दुनिया जो पहले शक्तिशाली लेकिन महंगे मैग्नेट के पीछे बंद थी। लेकिन इससे भी अधिक, विज्ञान तब भी आगे बढ़ता है जब वैज्ञानिक प्रकृति में जो कुछ भी पाते हैं उसे नई परिस्थितियों में दोबारा बनाते हैं। इस तरह हमें हवाई यात्रा, लेजर, परमाणु ऊर्जा, एंटीबायोटिक्स और अर्धचालक मिले।
कुछ ऐसा ही अब क्वांटम सामग्रियों के साथ हो रहा है – ऐसी सामग्रियाँ जिनके गुण क्वांटम भौतिकी प्रभावों से उत्पन्न होते हैं।
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