नौ-परत ग्राफीन क्वांटम स्थिति को प्रकट करता है जो भौतिकी की शताब्दी को चुनौती देता है

चीन में नानजिंग विश्वविद्यालय के लेई वांग और गेलियांग यू के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने पहली बार पूरी तरह से नया इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार देखा है जो सौ साल से भी पहले स्थापित सिद्धांतों का खंडन करता है। घटना, जिसे “ट्रांसडिमेंशनल एनोमलस हॉल इफेक्ट” (टीडीएएचई) कहा जाता है, केवल 2 से 5 नैनोमीटर की मोटाई के साथ रॉम्बोहेड्रल ग्राफीन में पाई गई थी। यह खोज यह समझने में मौलिक प्रगति का प्रतिनिधित्व करती है कि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्म पैमाने पर कैसे व्यवहार करते हैं और अल्ट्रा-लो पावर मेमोरी उपकरणों के लिए संभावनाएं खोलते हैं।

वह कानून जिसने एक सदी से भी अधिक समय तक इलेक्ट्रॉनिक भौतिकी को नियंत्रित किया

पीढ़ियों से, भौतिकी ने निरपेक्ष माने जाने वाले एक नियम की स्थापना की है: “ऑर्थोगोनैलिटी का नियम”। यह सिद्धांत निर्धारित करता है कि तीन मूलभूत घटक – चुंबकत्व (एम), वर्तमान प्रवाह (जे) और परिणामी विद्युत क्षेत्र (ई_एच) – हमेशा एक दूसरे के लंबवत होने चाहिए। नियम ने ज्ञात प्रणालियों में पूरी तरह से काम किया, जिससे चुंबकीय क्षेत्रों में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार की सभी वैज्ञानिक समझ को आकार मिला।

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द्वि-आयामी प्रणालियों में, जैसे कि ग्राफीन की एक परत, इलेक्ट्रॉन एक विमान में चलते हैं, जिसमें चुंबकत्व लंबवत रूप से उन्मुख होता है। सघन त्रि-आयामी प्रणालियों में, इलेक्ट्रॉन ऊर्ध्वाधर गति की स्वतंत्रता प्राप्त करते हैं, लेकिन अक्सर अशुद्धियों से टकराते हैं, जिससे किसी भी सुसंगत कक्षीय गति को समाप्त कर दिया जाता है। परिणामी व्यवहार हमेशा द्वि-आयामी मामलों के योग में परिवर्तित होता है। सैद्धांतिक रूप से, कुछ शोधकर्ताओं ने पहले से ही इस मौलिक कानून को दरकिनार करने में सक्षम राज्यों के अस्तित्व का प्रस्ताव दिया था, लेकिन वास्तविक सामग्रियों में इसे प्राप्त करने से दशकों तक बड़ी चुनौतियां सामने आईं।

ट्रांसडायमेंशनल घटना के लिए एक वातावरण के रूप में रॉम्बोहेड्रल ग्राफीन

इस प्रयोग के लिए चुनी गई सामग्री आकस्मिक नहीं थी। बहुत विशिष्ट मोटाई वाले रॉम्बोहेड्रल ग्राफीन – कार्बन की केवल कुछ परमाणु परतों – ने ट्रांसडिमेंशनल व्यवहार का निरीक्षण करने के लिए सही वातावरण बनाया। इस छोटे पैमाने पर, इलेक्ट्रॉनों को एक अज्ञात डोमेन का सामना करना पड़ता है जहां दोनों आयामों के नियम सख्ती से लागू नहीं होते हैं।

सैद्धांतिक चुनौती विकट थी. ग्राफीन, जो विशेष रूप से कार्बन से बना है, में “स्पिन-ऑर्बिट इंटरेक्शन” नामक एक गुण होता है जो बेहद कमजोर होता है, जिसका परिमाण लगभग 40 μeV होता है। यह इंटरैक्शन इलेक्ट्रॉनों के घूर्णन और कक्षा को जोड़ता है। शोधकर्ताओं का मानना ​​था कि ग्राफीन सिस्टम में इन-प्लेन मैग्नेटाइजेशन के साथ एक असामान्य हॉल प्रभाव प्राप्त करना असंभव था, क्योंकि इस संपत्ति को भारी धातु तत्वों में आवश्यक माना जाता था। वर्तमान खोज इस सैद्धांतिक सीमा को पूरी तरह से पलट देती है।

ट्रांसडिमेंशनल इलेक्ट्रॉनिक नृत्य का तंत्र

घटना की व्याख्या में क्वांटम भौतिकी की परिष्कृत अवधारणाएँ शामिल हैं, लेकिन एक उल्लेखनीय लालित्य का पता चलता है। शोधकर्ताओं ने बताया कि कैसे इलेक्ट्रॉनिक तरंगें अर्धचंद्राकार विकृतियों से गुजरती हैं। यह विकृति स्वयं इलेक्ट्रॉनों के बीच एक तीव्र प्रतिकारक बल के परिणामस्वरूप होती है, न कि भारी धातुओं की विशेष स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन पर निर्भर करती है जैसा कि पहले माना गया था।

नई ट्रांसडायमेंशनल स्थिति में, विमान के अंदर और बाहर के कक्षीय चुंबकत्व एक सुसंगत तरीके से एक साथ जुड़ते हैं। इलेक्ट्रॉन एक ही समय में त्रि-आयामी ऊर्ध्वाधर गति करते हुए द्वि-आयामी तलीय गति बनाए रखते हैं। यह एक साथ युग्मन रूढ़िवादिता के नियम का उल्लंघन करता है जो किसी अन्य ज्ञात संदर्भ में लागू होगा। टीम ने करंट, मैग्नेटाइजेशन और हॉल वोल्टेज के सावधानीपूर्वक माप के माध्यम से प्रभाव देखा, जिससे एक पूरी तरह से नए ज्यामितीय संबंध का पता चला।

• 2 से 5 नैनोमीटर की मोटाई के साथ रॉम्बोहेड्रल ग्राफीन में देखा गया।
• एक साथ विमान के अंदर और बाहर के कक्षीय चुंबकीयकरण को युग्मित किया गया।
• यह सौ साल पहले स्थापित रूढ़िवादिता के कानून का उल्लंघन करता है।
• यह भारी धातुओं की स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन पर निर्भर नहीं करता है।
• अल्ट्रा-लो पावर मैग्नेटिक मेमोरी में अनुप्रयोगों का वादा करता है।

मेमोरी और डेटा भंडारण में तकनीकी अनुप्रयोग

इस खोज का महत्व अकादमिक रुचि से कहीं अधिक है। भारी धातुओं के स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन पर निर्भरता के बिना प्रकट होने वाला शुद्ध कक्षीय चुंबकत्व, नवीन उपकरणों के लिए एक नया डिजाइन सिद्धांत प्रदान करता है। शोधकर्ता पहले से ही कृत्रिम बुद्धिमत्ता के युग के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक, अल्ट्रा-लो-पावर चुंबकीय मेमोरी के वादे की ओर इशारा कर रहे हैं।

पारंपरिक मेमोरी डिवाइस डेटा लिखते और पुनर्प्राप्त करते समय महत्वपूर्ण मात्रा में बिजली की खपत करते हैं। ट्रांसडायमेंशनल विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव पर आधारित एक तंत्र इन परिचालनों को नाटकीय रूप से कम ऊर्जा अपव्यय के साथ निष्पादित कर सकता है। इसके अलावा, यह खोज अन्य विदेशी क्वांटम राज्यों की खोज का द्वार खोलती है जो समान भौतिक संरचनाओं में मौजूद हो सकते हैं, जिससे आने वाले वर्षों में तकनीकी नवाचार की संभावनाओं का विस्तार होगा।

आधुनिक भौतिकी में आयामों के बीच की सीमाओं को फिर से परिभाषित करना

यह खोज एक गहन वास्तविकता पर प्रकाश डालती है: प्रकृति की मानवीय समझ को तीन आयामों में जीवित अनुभव द्वारा आकार दिया गया है। वैज्ञानिकों ने ग्राफीन द्वारा उदाहरणित बेहद पतली दो-आयामी दुनिया और जहां हम रहते हैं, त्रि-आयामी दुनिया के बीच स्पष्ट सीमाएं खींची हैं। इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को इन दो श्रेणियों में से एक में वर्गीकृत किया गया है, और सभी आधुनिक संघनित पदार्थ भौतिकी इन नींवों पर बनाई गई है।

लेकिन प्रकृति हमारी श्रेणियों से अधिक परिष्कृत साबित हुई है। कार्बन की अत्यंत पतली परतों के बीच केवल कुछ नैनोमीटर के रिक्त स्थान में, एक अब तक अज्ञात क्षेत्र मौजूद है। इस आयामी अंतर में, दोनों आयामों के नियम बिल्कुल लागू नहीं होते हैं। इलेक्ट्रॉनों का व्यवहार न तो 2डी प्लेनर मॉडल और न ही 3डी वॉल्यूमेट्रिक मॉडल का अनुसरण करता है, बल्कि वास्तव में कुछ नया दर्शाता है जो सदियों से स्थापित समझ को चुनौती देता है।