क्वांटम भौतिकी से पता चलता है कि कण निश्चित स्थानों वाली ठोस वस्तुओं की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। इसके बजाय, वे तरंगों की तरह अधिक कार्य करते हैं, जिसका अर्थ है कि अंतरिक्ष में उनकी सटीक स्थिति को सटीक रूप से नहीं जाना जा सकता है। फिर भी, कई रोजमर्रा की स्थितियों में, वैज्ञानिक अभी भी कणों का परिचित, शास्त्रीय तरीके से वर्णन कर सकते हैं। वे उन्हें एक विशिष्ट गति के साथ अंतरिक्ष में घूमने वाली छोटी वस्तुओं के रूप में चित्रित करते हैं।
यह दृष्टिकोण यह समझाते समय अच्छा काम करता है कि धातुओं के माध्यम से बिजली कैसे प्रवाहित होती है। भौतिक विज्ञानी अक्सर विद्युत धारा का वर्णन किसी सामग्री के माध्यम से तेजी से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों के रूप में करते हैं, जो चलते समय विद्युत चुम्बकीय बलों द्वारा धकेले या पुनर्निर्देशित होते हैं।
कण चित्र आमतौर पर क्यों काम करता है?
कई आधुनिक सिद्धांत भी इस कण-आधारित दृष्टिकोण पर भरोसा करते हैं, जिसमें पदार्थ की टोपोलॉजिकल अवस्थाओं का विचार भी शामिल है। ये स्थितियाँ इतनी महत्वपूर्ण हैं कि उनकी खोज को 2016 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से मान्यता दी गई थी। अपने उन्नत गणित के बावजूद, ये सिद्धांत अभी भी मानते हैं कि इलेक्ट्रॉन परिभाषित गति वाले कणों की तरह व्यवहार करते हैं।
हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया है कि यह चित्र हर सामग्री पर लागू नहीं होता है (नीचे प्रकाशन देखें)। कुछ मामलों में, इलेक्ट्रॉन अब स्पष्ट स्थिति या एकल, अच्छी तरह से परिभाषित वेग वाले व्यक्तिगत कणों की तरह व्यवहार नहीं करते हैं।
कणों के बिना टोपोलॉजी
टीयू विएन के वैज्ञानिकों ने अब प्रदर्शित किया है कि जब कण चित्र विफल हो जाता है, तब भी सामग्री टोपोलॉजिकल गुण प्रदर्शित कर सकती है। अब तक, ये गुण कण जैसे व्यवहार पर निर्भर माने जाते थे।
इस खोज से कुछ अप्रत्याशित पता चलता है। टोपोलॉजिकल स्थितियाँ उन प्रणालियों तक सीमित नहीं हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन कणों की तरह कार्य करते हैं। इसके बजाय, ये राज्य कहीं अधिक सार्वभौमिक बन गए हैं, उन विचारों को एक साथ लाते हैं जो एक बार असंगत लगते थे।
जब कण चित्र का कोई अर्थ नहीं रह जाता
टीयू विएन में इंस्टीट्यूट ऑफ सॉलिड स्टेट फिजिक्स के प्रोफेसर सिल्के बुहलर-पासचेन कहते हैं, “छोटे कणों के रूप में इलेक्ट्रॉनों की शास्त्रीय तस्वीर जो विद्युत प्रवाह के रूप में किसी सामग्री के माध्यम से प्रवाहित होने पर टकराव का सामना करती है, आश्चर्यजनक रूप से मजबूत है।” “कुछ परिशोधन के साथ, यह जटिल सामग्रियों में भी काम करता है जहां इलेक्ट्रॉन एक दूसरे के साथ दृढ़ता से बातचीत करते हैं।”
हालाँकि, ऐसे चरम मामले हैं जहाँ यह विवरण पूरी तरह से टूट जाता है। इन स्थितियों में, आवेश वाहक अपनी कण जैसी प्रकृति खो देते हैं। यह व्यवहार सेरियम, रूथेनियम और टिन (CeRuâ‚„Snâ†) से बने एक यौगिक में दिखाई देता है, जिसका टीयू वियन के शोधकर्ताओं ने बेहद कम तापमान पर अध्ययन किया।
वर्तमान प्रकाशन की पहली लेखिका डायना किर्शबाउम कहती हैं, “पूर्ण शून्य के करीब, यह एक विशिष्ट प्रकार का क्वांटम-महत्वपूर्ण व्यवहार प्रदर्शित करता है।” “सामग्री दो अलग-अलग अवस्थाओं के बीच उतार-चढ़ाव करती है, जैसे कि वह तय नहीं कर सकती कि वह किसे अपनाना चाहती है। इस उतार-चढ़ाव वाली व्यवस्था में, क्वासिपार्टिकल चित्र अपना अर्थ खो देता है।”
रोल्स और डोनट्स के साथ टोपोलॉजी की व्याख्या
उसी समय, सैद्धांतिक कार्य ने सुझाव दिया कि इसी सामग्री को टोपोलॉजिकल राज्यों की मेजबानी करनी चाहिए। सिल्के बुहलर-पासचेन बताते हैं, “टोपोलॉजी शब्द गणित से आया है, जहां इसका उपयोग कुछ ज्यामितीय संरचनाओं को अलग करने के लिए किया जाता है।”
“उदाहरण के लिए, एक सेब टोपोलॉजिकल रूप से ब्रेड रोल के बराबर है, क्योंकि रोल को लगातार सेब के आकार में विकृत किया जा सकता है। एक रोल टोपोलॉजिकल रूप से डोनट से अलग होता है, हालांकि, क्योंकि डोनट में एक छेद होता है जिसे निरंतर विरूपण द्वारा नहीं बनाया जा सकता है।”
भौतिक विज्ञानी पदार्थ की अवस्थाओं का वर्णन करने के लिए समान विचारों का उपयोग करते हैं। कण ऊर्जा, वेग और यहां तक कि गति के सापेक्ष स्पिन के अभिविन्यास जैसे गुण सख्त ज्यामितीय पैटर्न का पालन कर सकते हैं। ये पैटर्न उल्लेखनीय रूप से स्थिर हैं। किसी सामग्री में छोटी-मोटी खामियाँ उन्हें मिटा नहीं सकतीं, ठीक उसी तरह जैसे आकार में छोटे-छोटे बदलाव डोनट को सेब में नहीं बदल सकते।
यह स्थिरता टोपोलॉजिकल प्रभावों को विशेष रूप से क्वांटम डेटा भंडारण, उन्नत सेंसर और चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किए बिना विद्युत धाराओं को निर्देशित करने के तरीकों जैसी प्रौद्योगिकियों के लिए आकर्षक बनाती है।
एक सिद्धांत जो काम नहीं करना चाहिए था
हालाँकि टोपोलॉजी अमूर्त लग सकती है, लेकिन पिछले सिद्धांत अभी भी इस धारणा पर निर्भर थे कि कणों में अच्छी तरह से परिभाषित गति होती है। डायना किर्शबाम बताती हैं, “ये सिद्धांत मानते हैं कि कोई किसी चीज़ का अच्छी तरह से परिभाषित वेग और ऊर्जा के साथ वर्णन कर रहा है।”
“लेकिन ऐसी अच्छी तरह से परिभाषित वेग और ऊर्जाएं हमारी सामग्री में मौजूद नहीं लगती हैं, क्योंकि यह क्वांटम-महत्वपूर्ण व्यवहार का एक रूप प्रदर्शित करती है जिसे कण चित्र के साथ असंगत माना जाता है। फिर भी, सरल सैद्धांतिक दृष्टिकोण जो इन गैर-कण-जैसे गुणों को अनदेखा करते हैं, उन्होंने पहले भविष्यवाणी की थी कि सामग्री को टोपोलॉजिकल विशेषताओं को दिखाना चाहिए।”
इसने सिद्धांत और शारीरिक व्यवहार के बीच एक अजीब विरोधाभास पैदा कर दिया।
जिज्ञासा एक सफलता की ओर ले जाती है
इस संघर्ष के कारण, बुहलर-पास्चेन की टीम शुरू में सैद्धांतिक भविष्यवाणी को आगे बढ़ाने के लिए अनिच्छुक थी। समय के साथ, जिज्ञासा की जीत हुई और डायना किर्शबाम ने टोपोलॉजी के प्रयोगात्मक संकेतों की तलाश शुरू कर दी।
परम शून्य से एक डिग्री से भी कम तापमान पर, उसने एक स्पष्ट संकेत देखा। सामग्री ने एक सहज (विसंगतिपूर्ण) हॉल प्रभाव प्रदर्शित किया, एक ऐसी घटना जो आम तौर पर तब होती है जब चार्ज वाहक चुंबकीय क्षेत्र द्वारा विक्षेपित होते हैं।
हालाँकि, इस मामले में, विक्षेपण बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के दिखाई दिया। इसके बजाय, यह सामग्री के टोपोलॉजिकल गुणों से उत्पन्न हुआ। इससे भी अधिक चौंकाने वाली बात यह है कि आवेश वाहकों ने ऐसा व्यवहार किया मानो वे कण हों, इस बात के पुख्ता सबूतों के बावजूद कि कण चित्र लागू नहीं होना चाहिए।
सिल्के बुहलर-पासचेन कहते हैं, “यह मुख्य अंतर्दृष्टि थी जिसने हमें बिना किसी संदेह के यह प्रदर्शित करने की अनुमति दी कि प्रचलित दृष्टिकोण को संशोधित किया जाना चाहिए।”
डायना किर्शबाउम कहती हैं, “और भी बहुत कुछ है।” “टोपोलॉजिकल प्रभाव ठीक वहीं सबसे मजबूत होता है जहां सामग्री सबसे बड़े उतार-चढ़ाव प्रदर्शित करती है। जब इन उतार-चढ़ाव को दबाव या चुंबकीय क्षेत्र द्वारा दबा दिया जाता है, तो टोपोलॉजिकल गुण गायब हो जाते हैं।”
टोपोलॉजिकल मैटर का एक व्यापक दृष्टिकोण
सिल्के बुहलर-पास्चेन कहते हैं, “यह एक बहुत बड़ा आश्चर्य था।” “यह दर्शाता है कि टोपोलॉजिकल राज्यों को सामान्यीकृत शब्दों में परिभाषित किया जाना चाहिए।”
शोधकर्ताओं ने नए पहचाने गए चरण को एक उभरती हुई टोपोलॉजिकल सेमीमेटल के रूप में वर्णित किया है। उन्होंने टेक्सास में राइस विश्वविद्यालय में सहयोगियों के साथ काम किया, जहां प्रोफेसर किमियाओ सी के शोध समूह का हिस्सा, लेई चेन (प्रकाशन के सह-प्रथम लेखक) ने एक सैद्धांतिक मॉडल विकसित किया जो क्वांटम आलोचना को टोपोलॉजी के साथ सफलतापूर्वक जोड़ता है।
“वास्तव में, यह पता चला है कि टोपोलॉजिकल गुण उत्पन्न करने के लिए एक कण चित्र की आवश्यकता नहीं है,” बुहलर-पासचेन कहते हैं। “अवधारणा को वास्तव में सामान्यीकृत किया जा सकता है – टोपोलॉजिकल भेद तब अधिक अमूर्त, गणितीय तरीके से उभरते हैं। और इससे भी अधिक: हमारे प्रयोगों से पता चलता है कि टोपोलॉजिकल गुण भी उत्पन्न हो सकते हैं क्योंकि कण-जैसी अवस्थाएँ अनुपस्थित हैं।”
क्वांटम सामग्री की खोज के नए रास्ते
इस खोज का व्यावहारिक महत्व भी है. यह क्वांटम-क्रिटिकल व्यवहार प्रदर्शित करने वाली प्रणालियों पर ध्यान केंद्रित करके टोपोलॉजिकल सामग्रियों की खोज का एक नया तरीका सुझाता है।
“अब हम जानते हैं कि यह सार्थक है – शायद विशेष रूप से भी सार्थक – क्वांटम-महत्वपूर्ण सामग्रियों में टोपोलॉजिकल गुणों की खोज करने के लिए,” बुहलर-पास्चेन कहते हैं। “क्योंकि क्वांटम-महत्वपूर्ण व्यवहार सामग्रियों के कई वर्गों में होता है और इसे विश्वसनीय रूप से पहचाना जा सकता है, यह कनेक्शन कई नई ‘उभरती’ टोपोलॉजिकल सामग्रियों की खोज करने की अनुमति दे सकता है।”
