वैज्ञानिकों ने पदार्थ के एक विदेशी चुंबकीय चरण को उजागर किया

न्यूज़वाइज – दो राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं के वैज्ञानिकों ने एक दशक पुराने प्रश्न का उत्तर देने के लिए Argonne के उन्नत फोटॉन स्रोत का उपयोग किया।

कंप्यूटर अर्धचालक और आधुनिक संचार उपकरणों के लिए, विद्युत आवेश के संचालन के अधिक कुशल तरीके खोजने से रोमांचक संभावनाएं बनती हैं। डिवाइस छोटे हो सकते हैं, डिजिटल कार्यों को अधिक तेज़ी से कर सकते हैं और कम ऊर्जा का उपयोग कर सकते हैं।

इनमें से किसी भी संभावना के लिए, भौतिकविदों को यह पता लगाना था कि क्या होता है, इलेक्ट्रॉनिक रूप से, जब राज्यों के बीच एक भौतिक संक्रमण होता है, जो एक से बिजली का संचालन नहीं करता है जो करता है। इस सवाल ने वैज्ञानिकों को 60 वर्षों से हैरान कर दिया है, लेकिन हाल ही में दो राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं के भौतिकविदों को शामिल करने वाली एक सफलता की खोज ने जवाब पर से पर्दा हटा दिया है।

“इस प्रयोग के लिए RIXS बीमलाइन दुनिया में सर्वश्रेष्ठ में से एक है। तकनीक वास्तव में महत्वपूर्ण थी। ” – गिल्बर्टो फैब्रिस, आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी

“भौतिक विज्ञानी यह पता लगाने की कोशिश कर रहे थे कि क्या होता है जब आप एक इन्सुलेटर और एक कंडक्टर के बीच इलेक्ट्रॉनिक ‘ऊर्जा अंतर’ को छोटा और छोटा बनाते हैं,” स्विट्जरलैंड में पॉल शेरर इंस्टीट्यूट में ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी के पूर्व भौतिक विज्ञानी डैनियल मैज़ोन ने कहा, जिन्होंने नेतृत्व किया प्रश्न का हालिया अध्ययन। मैज़ोन और उनके सहयोगियों, जिनमें ब्रुकहेवन और आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी भौतिकविदों दोनों शामिल हैं, ने फरवरी में नेचर कम्युनिकेशंस में अपने परिणाम प्रकाशित किए। “क्या आप एक साधारण इन्सुलेटर को एक साधारण धातु में बदलते हैं जहां इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ सकते हैं, या कुछ और दिलचस्प होता है?”

उन्नत फोटॉन स्रोत (APS) का उपयोग करते हुए, DOE के Argonne National Laboratory में विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधा विभाग (DOE) कार्यालय, ब्रुकहेवन शोधकर्ताओं की एक टीम ने अपने Argonne सहयोगियों के साथ काम किया यह दिखाने के लिए कि पिछले वैज्ञानिकों ने केवल अनुमान लगाया था। कुछ शर्तों के तहत, पदार्थ की एक नई चुंबकीय अवस्था पाई जा सकती है जिसमें इलेक्ट्रॉनों के चुंबकीय क्षण (जिन्हें “स्पिन” भी कहा जाता है) उनके इन्सुलेट गुण से निकटता से जुड़े होते हैं। इस नई चुंबकीय अवस्था को एंटीफेरोमैग्नेटिक एक्सिटोनिक इंसुलेटर अवस्था कहा जाता है।

“एक इन्सुलेटर एक धातु के विपरीत है; यह एक ऐसी सामग्री है जो बिजली का संचालन नहीं करती है, ”ब्रुकहेवन के वैज्ञानिक मार्क डीन ने कहा, कागज पर एक सह-लेखक। “इलेक्ट्रॉनों को जगह-जगह जाम कर दिया जाता है, जैसे एक भरे हुए एम्फीथिएटर में लोग; वे इधर-उधर नहीं जा सकते। ”

इलेक्ट्रॉनों को इस निम्न या “जमीन” ऊर्जा अवस्था से बाहर निकालने के लिए, उन्हें ऊर्जा में एक बड़े बढ़ावा की आवश्यकता होती है। जमीनी स्थिति और उच्च ऊर्जा स्तर के बीच के अंतर को दूर करने के लिए बूस्ट काफी बड़ा होना चाहिए। बहुत ही विशेष परिस्थितियों में, ऊर्जा लाभ ऊर्जा अंतराल में कूदने वाले इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा लागत से अधिक हो सकता है।

कागज पर एक सह-लेखक, आर्गोन भौतिक विज्ञानी मैरी अप्टन ने कहा, “एक इन्सुलेटर और एक कंडक्टर के बीच ऊर्जा अंतर की तुलना कुछ हद तक दो-लेन राजमार्ग के बीच की खाई से की जा सकती है।” “कल्पना कीजिए कि एक लेन पूरी तरह से कारों से भरी हुई है और दूसरी लेन पूरी तरह से खुली हुई है। खाई में भरकर, कारें स्वतंत्र रूप से घूम सकती हैं और चलती रहती हैं। एक एंटीफेरोमैग्नेटिक इंसुलेटर अवस्था में, इलेक्ट्रॉन ऐसा ही कर सकते हैं। ”

अपने प्रयोग में, सहयोगी टीम ने स्ट्रोंटियम इरिडियम ऑक्साइड नामक सामग्री के साथ काम किया, जो केवल कमरे के तापमान से ऊपर ही इन्सुलेट कर रहा है।

“नमूने में पहले से ही बहुत कम ऊर्जा अंतर था, लेकिन हम यह पता लगाने की कोशिश कर रहे थे कि क्या नमूना एक सामान्य इन्सुलेटर था या यदि यह पहले से ही एक चुंबकीय उत्तेजक इन्सुलेटर था, ” आर्गन के सहायक भौतिक विज्ञानी गिल्बर्टो फैब्रिस ने कहा, एक सह-लेखक कागज पर। “एक चुंबकीय उत्तेजक इन्सुलेटर में ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है, लेकिन एक विशेष प्रकार की चुंबकीय बातचीत उन्हें अवरुद्ध करती है, जिसका अर्थ है कि सामग्री बिजली का संचालन नहीं करती है।” तापमान बदलने के अलावा कुछ भी किए बिना, टीम ने दिखाया कि सामग्री वास्तव में एक चुंबकीय उत्सर्जक विसंवाहक थी।

उन्नत तकनीकों और उपकरणों ने टीम के लिए इस घटना का अध्ययन करना संभव बना दिया। उदाहरण के लिए, एपीएस के रेज़ोनेंट इनलेस्टिक एक्स-रे स्कैटरिंग (आरआईएक्सएस) बीमलाइन 27-आईडी पर, वैज्ञानिकों को सामग्री के भीतर गहराई से देखने में मदद करता है। RIXS एक्स-रे बीम का उपयोग यह मापने के लिए करता है कि कितनी ऊर्जा और गति खो जाती है क्योंकि प्रकाश एक सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की उत्तेजना (एक प्रकार की गड़बड़ी) बनाता है। इसने ब्रुकहेवन और आर्गोन टीम को चुंबकीय इंटरैक्शन और चलती इलेक्ट्रॉनों की संबंधित ऊर्जा लागत को मापने की अनुमति दी।

अप्टन और फैब्रिस ने कहा कि एपीएस जैसी सुविधा, जो छोटी, प्रयोगशाला-आधारित मशीनों की तुलना में तेजी से उज्ज्वल एक्स-रे बीम उत्पन्न करती है, इस माप को पूरा करने के लिए आवश्यक है।

“इस प्रयोग के लिए RIXS बीमलाइन दुनिया में सर्वश्रेष्ठ में से एक है,” फैब्रिस ने कहा, “तकनीक वास्तव में महत्वपूर्ण थी।”

एपीएस वर्तमान में बड़े पैमाने पर अपग्रेड के दौर से गुजर रहा है जो इसके एक्स-रे बीम की चमक को 500 गुना तक बढ़ा देगा। उस अपग्रेड के हिस्से के रूप में, बीमलाइन की क्षमताओं का विस्तार करते हुए, 27-ID पर एक नया RIXS उपकरण स्थापित किया गया है।

एंटीफेरोमैग्नेटिक एक्सिटोनिक इंसुलेटर की पहचान एक लंबी यात्रा पूरी करती है, जिसमें आकर्षक तरीके से इलेक्ट्रॉन खुद को सामग्री में व्यवस्थित करने के लिए चुनते हैं। भविष्य में, ऐसी सामग्रियों में स्पिन और चार्ज के बीच संबंधों को समझने से नई तकनीकों को साकार करने की क्षमता हो सकती है।

इस रिलीज़ का एक संस्करण मूल रूप से ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी द्वारा पोस्ट किया गया था।

उन्नत फोटॉन स्रोत के बारे में

आर्गनन नेशनल लेबोरेटरी में यूएस डिपार्टमेंट ऑफ साइंस के एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (APS) का ऊर्जा कार्यालय दुनिया की सबसे अधिक उत्पादक एक्स-रे प्रकाश स्रोत सुविधाओं में से एक है। एपीएस सामग्री विज्ञान, रसायन विज्ञान, संघनित पदार्थ भौतिकी, जीवन और पर्यावरण विज्ञान, और अनुप्रयुक्त अनुसंधान में शोधकर्ताओं के एक विविध समुदाय को उच्च चमक वाले एक्स-रे बीम प्रदान करता है। ये एक्स-रे सामग्री और जैविक संरचनाओं की खोज के लिए आदर्श रूप से अनुकूल हैं; मौलिक वितरण; रासायनिक, चुंबकीय, इलेक्ट्रॉनिक राज्य; और बैटरी से लेकर ईंधन इंजेक्टर स्प्रे तक तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग प्रणालियों की एक विस्तृत श्रृंखला, जो सभी हमारे देश की आर्थिक, तकनीकी और भौतिक भलाई की नींव हैं। हर साल, 5,000 से अधिक शोधकर्ता प्रभावशाली खोजों का विवरण देने वाले 2,000 से अधिक प्रकाशनों का उत्पादन करने के लिए एपीएस का उपयोग करते हैं, और किसी भी अन्य एक्स-रे प्रकाश स्रोत अनुसंधान सुविधा के उपयोगकर्ताओं की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण जैविक प्रोटीन संरचनाओं को हल करते हैं। एपीएस के वैज्ञानिक और इंजीनियर ऐसी तकनीक का आविष्कार करते हैं जो त्वरक और प्रकाश-स्रोत संचालन को आगे बढ़ाने के केंद्र में है। इसमें सम्मिलन उपकरण शामिल हैं जो शोधकर्ताओं द्वारा बेशकीमती अत्यधिक चमक वाले एक्स-रे का उत्पादन करते हैं, लेंस जो एक्स-रे को कुछ नैनोमीटर तक केंद्रित करते हैं, इंस्ट्रूमेंटेशन जो एक्स-रे के अध्ययन के नमूनों के साथ बातचीत करने के तरीके को अधिकतम करता है, और सॉफ्टवेयर जो इकट्ठा होता है और एपीएस में खोज अनुसंधान के परिणामस्वरूप भारी मात्रा में डेटा का प्रबंधन करता है।

इस शोध में एडवांस्ड फोटॉन सोर्स के संसाधनों का इस्तेमाल किया गया, जो यूएस डीओई ऑफिस ऑफ साइंस यूजर फैसिलिटी है, जो डीओई ऑफिस ऑफ साइंस के लिए अनुबंध संख्या के तहत आर्गन नेशनल लेबोरेटरी द्वारा संचालित है। डीई-एसी02-06CH11357।

Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला विज्ञान और प्रौद्योगिकी में राष्ट्रीय समस्याओं को दबाने के लिए समाधान चाहता है। देश की पहली राष्ट्रीय प्रयोगशाला, Argonne लगभग हर वैज्ञानिक विषय में अग्रणी बुनियादी और अनुप्रयुक्त वैज्ञानिक अनुसंधान करती है। Argonne शोधकर्ता सैकड़ों कंपनियों, विश्वविद्यालयों, और संघीय, राज्य और नगरपालिका एजेंसियों के शोधकर्ताओं के साथ मिलकर काम करते हैं ताकि उन्हें उनकी विशिष्ट समस्याओं को हल करने में मदद मिल सके, अमेरिका के वैज्ञानिक नेतृत्व को आगे बढ़ाया जा सके और देश को बेहतर भविष्य के लिए तैयार किया जा सके। 60 से अधिक देशों के कर्मचारियों के साथ, Argonne का प्रबंधन UChicago Argonne, LLC द्वारा अमेरिकी ऊर्जा विभाग के विज्ञान कार्यालय के लिए किया जाता है।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग का विज्ञान कार्यालय संयुक्त राज्य अमेरिका में भौतिक विज्ञान में बुनियादी अनुसंधान का सबसे बड़ा समर्थक है और हमारे समय की कुछ सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों का समाधान करने के लिए काम कर रहा है। अधिक जानकारी के लिए देखें https://ener gy .gov/s c ience.

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