अल्ट्राकोल्ड बोसोनिक और फर्मिओनिक गैसों में शापिरो के कदम देखे गए – भौतिकी विश्व

शापिरो चरण – जोसेफसन जंक्शन की वोल्टेज-वर्तमान विशेषता में अचानक उछाल की एक श्रृंखला जो माइक्रोवेव विकिरण के संपर्क में है – जर्मनी और इटली के समूहों द्वारा अल्ट्राकोल्ड गैसों में पहली बार देखी गई है। परमाणु जोसेफसन जंक्शनों पर उनका काम घटना में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है, और रासायनिक क्षमता के लिए एक मानक का नेतृत्व कर सकता है।

1962 में कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के ब्रायन जोसेफसन ने गणना की कि, यदि दो सुपरकंडक्टर्स को एक पतली इंसुलेटिंग बैरियर द्वारा अलग किया जाता है, तो दोनों तरफ तरंग कार्यों के बीच चरण अंतर क्वांटम टनलिंग को प्रेरित करेगा, जिससे शून्य संभावित अंतर पर करंट उत्पन्न होगा।

एक साल बाद, सिडनी शापिरो और सलाहकार आर्थर डी. लिटिल के सहयोगियों ने दिखाया कि माइक्रोवेव क्षेत्र का उपयोग करके एक वैकल्पिक विद्युत प्रवाह को प्रेरित करने से जोसेफसन जंक्शन के दोनों तरफ तरंग फ़ंक्शन का चरण अलग-अलग दरों पर विकसित होता है, जिससे जंक्शन पर संभावित अंतर में मात्रात्मक वृद्धि होती है। इन “शापिरो चरणों” की ऊंचाई केवल क्षेत्र की लागू आवृत्ति और विद्युत आवेश पर निर्भर करती है। इसे अब वोल्ट के लिए संदर्भ मानक के रूप में उपयोग किया जाता है।

शोधकर्ताओं ने बाद में तरल हीलियम और अल्ट्राकोल्ड परमाणु गैसों जैसी अन्य प्रणालियों में जोसेफसन जंक्शनों के एनालॉग विकसित किए हैं। नए कार्य में, दो समूहों ने स्वतंत्र रूप से अल्ट्राकोल्ड क्वांटम गैसों में शापिरो चरणों का अवलोकन किया है। केंद्र में एक निश्चित इंसुलेटर रखने और सिस्टम को एक क्षेत्र के साथ चलाने के बजाय, शोधकर्ताओं ने संभावित अवरोध पैदा करने के लिए केंद्रित लेजर बीम का उपयोग किया जो जाल को दो भागों में विभाजित करता है। फिर उन्होंने दोनों तरफ के परमाणुओं की क्षमता को बदलने के लिए बाधाओं की स्थिति को बदल दिया।

वर्तमान अनुकरण

जर्मनी में आरपीटीयू यूनिवर्सिटी कैसरस्लॉटर्न-लैंडौ के हेरविग ओट, जिन्होंने एक समूह का नेतृत्व किया, कहते हैं, “अगर हम परमाणुओं को निरंतर वेग से घुमाते हैं, तो इसका मतलब है कि बाधा के माध्यम से परमाणुओं का निरंतर वेग है।” “इस तरह हम डीसी करंट का अनुकरण करते हैं। अब शापिरो प्रोटोकॉल के लिए आपको एक एसी करंट लागू करना होगा, और एसी करंट आपको बस समय में अपने अवरोध को संशोधित करके प्राप्त होगा।”

कैसरस्लॉटर्न में ओट और उनके सहयोगियों ने हैम्बर्ग और संयुक्त अरब अमीरात (यूएई) के शोधकर्ताओं के सहयोग से रुबिडियम -87 परमाणुओं के बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) का उपयोग किया। इस बीच, इटली में, फ्लोरेंस विश्वविद्यालय में नॉनलाइनियर स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए यूरोपीय प्रयोगशाला के गिउलिया डेल पेस और उनके सहयोगियों (यूएई के सहयोगियों सहित) ने अल्ट्राकोल्ड लिथियम -6 परमाणुओं का अध्ययन किया, जो कि फर्मियन हैं।

दोनों समूहों ने सैद्धांतिक रूप से अनुमानित शापिरो कदमों का अवलोकन किया, लेकिन ओट और डेल पेस बताते हैं कि ये अवलोकन केवल भविष्यवाणियों की पुष्टि नहीं करते हैं। ओट कहते हैं, “संदेश यह है कि आपका सूक्ष्म तंत्र चाहे जो भी हो, शापिरो चरणों की घटना सार्वभौमिक है।” सुपरकंडक्टर्स में, शापिरो चरण कूपर जोड़े के टूटने के कारण होते हैं; अत्यधिक ठंडी परमाणु गैसों में भंवर वलय निर्मित होते हैं। फिर भी, वही गणित लागू होता है। ओट कहते हैं, “यह वास्तव में काफी उल्लेखनीय है।”

डेल पेस का कहना है कि यह स्पष्ट नहीं है कि क्या शापिरो के कदमों को दृढ़ता से इंटरैक्ट करने वाले फ़र्मियन में देखा जाएगा, जो “सुपरकंडक्टर्स में इलेक्ट्रॉनों की तुलना में कहीं अधिक इंटरैक्ट करते हैं”। वह पूछती है, “क्या मजबूत बातचीत करना एक सीमा है या क्या यह कुछ ऐसा है जो वास्तव में गतिशीलता को घटित होने में मदद करता है? यह बाद की बात है।”

चुंबकीय ट्यूनिंग

डेल पेस के समूह ने अणुओं के बीईसी, कूपर जोड़े के प्रभुत्व वाली प्रणाली और एकात्मक फर्मी गैस के बीच अपने सिस्टम को ट्यून करने के लिए एक परिवर्तनीय चुंबकीय क्षेत्र लागू किया, जिसमें कण क्वांटम यांत्रिकी द्वारा अनुमति के अनुसार दृढ़ता से बातचीत कर रहे थे। शापिरो चरणों का आकार अंतरकण अंतःक्रिया की ताकत पर निर्भर था।

ओट और डेल पेस दोनों का सुझाव है कि इस प्रभाव का उपयोग रासायनिक क्षमता के लिए एक संदर्भ मानक बनाने के लिए किया जा सकता है – एक प्रणाली में परमाणु संपर्क (या राज्य के समीकरण) की ताकत का एक उपाय।

डेल पेस बताते हैं, “राज्य का यह समीकरण बीईसी के लिए या दृढ़ता से बातचीत करने वाली फर्मी गैस के लिए बहुत अच्छी तरह से जाना जाता है… लेकिन अंतःक्रियात्मक शक्तियों की एक सीमा होती है जहां राज्य का समीकरण पूरी तरह से अज्ञात है, इसलिए कोई कल्पना कर सकता है कि जिस तरह से सुपरकंडक्टर्स में जोसेफसन जंक्शनों का उपयोग किया जाता है और उन प्रणालियों में राज्य के समीकरण का अध्ययन करने के लिए परमाणु जोसेफसन जंक्शनों का उपयोग किया जाता है जहां राज्य का समीकरण ज्ञात नहीं है।”

दोनों पेपर साथ-साथ प्रकाशित होते हैं विज्ञान: डेल पेस और ओट।

मेक्सिको के स्वायत्त विश्वविद्यालय के रोसीओ जौरेगुई रेनॉड विशेष रूप से बोसॉन और फर्मियन दोनों के प्रदर्शन से प्रभावित हैं। वह कहती हैं, ”दोनों पेपर महत्वपूर्ण हैं और उनके परिणाम एक समान हैं, लेकिन मंच अलग है।” “इस बिंदु पर, विचार सीधे तौर पर सुपरकंडक्टिविटी के बारे में अधिक जानकारी देना नहीं है, बल्कि उन घटनाओं के बारे में अधिक जानना है जिन्हें कभी-कभी आप इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में नहीं देख पाते हैं लेकिन आप शायद तटस्थ परमाणुओं में देख पाएंगे।”