पाँच क्रिस्टलों से पता चला कि चुंबकीय क्षेत्र में ऊष्मा क्यों मुड़ती है

दस गुना का अंतर क्रिस्टल की अपनी प्रकृति की ओर संकेत करता है

एक ही विद्युतरोधी पदार्थ के पाँच क्रिस्टल अपनी लंबाई के साथ ऊष्मा को समान रूप से प्रवाहित करते थे, लेकिन चुंबकीय क्षेत्र में उनकी पार्श्व प्रतिक्रिया में लगभग दस गुना अंतर था। यह NiPS3 पर हुए शोध का मुख्य निष्कर्ष है। यह परतदार चुंबकीय क्रिस्टल 2005 से चली आ रही भौतिकी की एक पहेली को समझने का रास्ता देता है: विद्युत रूप से उदासीन कंपनों द्वारा वहन की जाने वाली ऊष्मा चुंबकीय क्षेत्र में बगल की ओर क्यों मुड़ती है।

इस सहयोग में वुहान स्थित हुआझोंग विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के राष्ट्रीय स्पंदित उच्च चुंबकीय क्षेत्र विज्ञान केंद्र और फ्रांस के ESPCI Paris के शोधकर्ता शामिल हैं। उनके मापों से पता चलता है कि ऊष्मा की पार्श्व प्रतिक्रिया का संबंध क्रिस्टल के चुंबकीय गुणों से है, न कि इस बात से कि टक्कर होने से पहले ऊष्मा वाहक कितनी दूरी तय करते हैं।

शोधकर्ता इस संबंध को एक अंतर्निहित तंत्र का प्रमाण मानते हैं, यानी ऐसा तंत्र जिसकी जड़ें पदार्थ के अपने युग्मित चुंबकीय और कंपनात्मक व्यवहार में हैं। यह निष्कर्ष वैज्ञानिकों को इस व्याख्या को उन तंत्रों से अलग करने के लिए एक प्रायोगिक कसौटी देता है जिनमें अशुद्धियां या अन्य प्रकीर्णन केंद्र पार्श्व प्रतिक्रिया उत्पन्न करते हैं।

NiPS3 का शोधपत्र, जिसका arXiv पर दूसरा संस्करण 1 अक्टूबर 2024 को दिनांकित है, 25 kelvin और 14 tesla पर लगभग -1.63 watts per meter per kelvin की अधिकतम पार्श्व ऊष्मीय चालकता दर्ज करता है। यह तापमान लगभग -248 डिग्री सेल्सियस है। ऋण चिह्न प्रयोग में अपनाई गई मापन परंपरा के अनुसार पार्श्व प्रतिक्रिया की दिशा दर्शाता है।

इस काम की घोषणा 23 अक्टूबर 2026 को बीजिंग समय के अनुसार Science में प्रकाशन के सिलसिले में की गई थी; स्थानीय समय में यह तारीख 22 अक्टूबर थी। इसे कवर लेख बताया गया। इसके विस्तृत प्रायोगिक तर्क 2024 की पांडुलिपि में पहले से मौजूद थे।

बिना विद्युत आवेश के ऊष्मा दिशा कैसे बदल सकती है?

सामान्य विद्युत हॉल प्रभाव में चुंबकीय क्षेत्र गतिमान विद्युत आवेशों को बगल की ओर धकेलता है। किसी चालक में आवेश एक ओर जमा हो जाते हैं और मूल धारा के लंबवत वोल्टेज बनाते हैं।

NiPS3 विद्युतरोधी है। इसमें ऊष्मा मुख्य रूप से उसके क्रिस्टल जालक के कंपन के रूप में चलती है; जालक परमाणुओं की व्यवस्थित संरचना है। भौतिक विज्ञानी इन कंपनों के ऊर्जा-पैकेट को फोनॉन कहते हैं, ठीक वैसे ही जैसे प्रकाश के पैकेट को फोटॉन कहते हैं।

फोनॉन ऊर्जा वहन करता है, लेकिन उसका कुल विद्युत आवेश शून्य होता है। इसलिए उस पर वह पारंपरिक चुंबकीय बल नहीं लगता जो इलेक्ट्रॉन की गति को मोड़ता है। फिर भी, जब ऊष्मा क्रिस्टल के साथ-साथ बहती है और उस प्रवाह के लंबवत चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो विद्युतरोधी क्रिस्टल में तापमान का अंतर बन सकता है। वैज्ञानिक इसे फोनॉन ऊष्मीय हॉल प्रभाव कहते हैं।

इस प्रभाव के पहले प्रायोगिक प्रमाण 2005 में सामने आए। तब से मुख्य बहस इसके तंत्र को लेकर रही है: क्या पार्श्व प्रतिक्रिया क्रिस्टल के सामूहिक व्यवहार से पैदा होती है, या फोनॉन के अशुद्धियों, दोषों अथवा अन्य बाधाओं से टकराने पर असममित प्रकीर्णन से? दोनों मापे गए संकेत की भौतिक व्याख्याएं हैं, लेकिन वे उसके स्रोत के रूप में अलग-अलग प्रक्रियाओं को जिम्मेदार ठहराती हैं।

प्रबल चुंबकीय क्षेत्रों में क्या मापा गया

NiPS3 में निकल, फॉस्फोरस और सल्फर होते हैं। इसके निकल परमाणु षट्कोणीय जाल वाली परतें बनाते हैं। 155 kelvin से नीचे, यानी लगभग -118 डिग्री सेल्सियस पर, इसके चुंबकीय आघूर्ण जिगजैग प्रतिचुंबकीय व्यवस्था अपनाते हैं। प्रतिचुंबकत्व में आघूर्ण एक दिशा में एकसाथ होने के बजाय एक-दूसरे के विपरीत पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं।

टीम ने रासायनिक वाष्प परिवहन विधि से एकल क्रिस्टल उगाए और एक ही हीटर तथा तीन तापयुग्मों की मदद से उनके साथ और आर-पार होने वाले ऊष्मा प्रवाह को एकसाथ मापा। इससे शोधकर्ता मुख्य ऊष्मा धारा की तुलना छोटे पार्श्व तापमान संकेत से कर सके।

स्पंदित चुंबकीय क्षेत्रों का इस्तेमाल कर 4.2 kelvin पर चुंबकन माप 55 tesla तक किए गए। इस दायरे में कोई चुंबकीय संक्रमण नहीं दिखा। पांडुलिपि में वर्णित ऊष्मीय हॉल माप 14 tesla तक किए गए, जहां लगाया गया क्षेत्र बढ़ने के साथ पार्श्व प्रतिक्रिया रैखिक रूप से बदली।

मुख्य ऊष्मीय चालकता 274 watts per meter per kelvin पर चरम पर पहुंची। शून्य क्षेत्र और 14 tesla पर तापमान के साथ इसका बदलाव लगभग एकसमान था, और यह पार्श्व चालकता के समान तापमान पर चरम पर पहुंची। शोधकर्ताओं के अनुसार मुख्य ऊष्मा वाहक फोनॉन हैं, जबकि चुंबकीय उत्तेजनाओं का मुख्य ऊष्मा धारा में योगदान बहुत कम है।

पाँच नमूनों की तुलना क्यों अहम थी

NiPS3 के पाँच क्रिस्टल उपयोगी तुलना का अवसर देते थे, क्योंकि उनमें सामान्य ऊष्मा परिवहन प्रभावी रूप से एकसमान था। उनकी अनुदैर्ध्य चालकता के वक्र एक-दूसरे पर लगभग पूरी तरह चढ़ते थे और उनकी ऊष्मा धारिताएं भी समान थीं।

इसलिए फोनॉन का माध्य मुक्त पथ, यानी प्रकीर्णन से पहले कंपन द्वारा तय की गई औसत दूरी, सभी नमूनों में लगभग समान था। इसकी सरल मिसाल ऐसी पाँच सड़कें हैं जिन पर यातायात रुकावटों के बीच समान दूरी तय कर सकता है।

पार्श्व प्रतिक्रिया का व्यवहार बहुत अलग था। एक क्रिस्टल में इसका शिखर दूसरे की तुलना में लगभग दस गुना बड़ा था, जबकि आगे की दिशा में ऊष्मा ले जाने की उनकी क्षमता समान थी। इससे टीम को सामान्य ऊष्मा परिवहन को लगभग स्थिर रखते हुए चुंबकीय व्यवहार की तुलना करने का तरीका मिला।

प्रस्तावित प्रकीर्णन तंत्रों में से कई अनुमान लगाते हैं कि फोनॉन का माध्य मुक्त पथ बढ़ने के साथ पार्श्व प्रतिक्रिया भी बढ़नी चाहिए। शोधपत्र में चर्चा किया गया एक मॉडल अनुदैर्ध्य चालकता को उस दूरी के समानुपाती और अनुप्रस्थ चालकता को उसके वर्ग के समानुपाती बताता है। इसके उलट, NiPS3 प्रयोगों में माध्य मुक्त पथ लगभग स्थिर रहा, जबकि अनुप्रस्थ चालकता में बड़ा बदलाव मिला।

NiPS3 में ऊष्मा परिवहन की जांच कर रहे शोधकर्ताओं ने शोधपत्र के सार में अपना निष्कर्ष इस तरह बताया:

एक ऊष्मागतिक गुण की प्रासंगिकता और माध्य मुक्त पथ की अप्रासंगिकता, दोनों मिलकर अंतर्निहित स्रोत की ओर संकेत करते हैं।

चुंबकीय दिशा ने संकेत के साथ तालमेल दिखाया

पार्श्व चालकता क्रिस्टलों की चुंबकीय विषमता के अनुरूप बदली, यानी चुंबकीय प्रतिक्रिया दिशा पर निर्भर थी। a दिशा में चुंबकन पाँचों नमूनों में लगभग एकसमान था। b दिशा में सबसे अधिक और सबसे कम विषम नमूनों के बीच इसमें करीब 30% का अंतर था।

क्रिस्टल ट्विनिंग इस अंतर को समझाने में मदद करती है। ट्विन क्रिस्टल में ऐसे क्षेत्र होते हैं जिनके जालक एक-दूसरे के सापेक्ष घूमे हुए होते हैं। इस पदार्थ में ये क्षेत्र एक साझा अक्ष रख सकते हैं, जबकि एक-दूसरे के सापेक्ष 120 डिग्री घूमे होते हैं। अलग-अलग क्षेत्रों का अनुपात चुनी हुई दिशा में मापी गई चुंबकीय प्रतिक्रिया को बदल देता है।

जिस नमूने में क्रिस्टल का एक ही अभिविन्यास सबसे अधिक प्रभावी था, उसमें ऊष्मीय हॉल प्रतिक्रिया सबसे बड़ी थी। तीन संभावित अभिविन्यासों के लगभग बराबर अनुपात वाले नमूने में यह सबसे छोटी थी। इसलिए चुंबकीय और क्रिस्टलीय व्यवस्था अहम थी, भले ही आगे की दिशा में ऊष्मा का परिवहन समान बना रहा।

टॉर्क मापों ने एक और जांच उपलब्ध कराई। उन्होंने क्षेत्र की दिशा घूमने पर चुंबकीय मुक्त ऊर्जा में हुए बदलाव को दर्ज किया। मुक्त ऊर्जा उन निर्दिष्ट परिस्थितियों में किसी तंत्र के लिए उपलब्ध ऊर्जा को कहते हैं; यहां दिशा के साथ इसका बदलाव बताता है कि क्रिस्टल किन चुंबकीय अभिविन्यासों को कितना प्राथमिकता देता है। इस संतुलन गुण का पार्श्व ऊष्मा संकेत के साथ तालमेल था, जिससे अध्ययन को उसका ऊष्मागतिक तर्क मिला।

कंपन चुंबकीय प्रतिक्रिया कैसे हासिल कर सकते हैं

प्रस्तावित सूक्ष्म-स्तरीय व्याख्या में मैग्नॉन शामिल हैं, जो चुंबकीय आघूर्णों की व्यवस्था में सामूहिक तरंगें हैं। फोनॉन परमाणुओं के कंपन बताते हैं, जबकि मैग्नॉन चुंबकीय गति का वर्णन करते हैं। युग्मन से ये दोनों तरह की गतियां एक-दूसरे को प्रभावित कर सकती हैं।

शोधकर्ताओं ने गणना से प्राप्त फोनॉन स्पेक्ट्रम की तुलना न्यूट्रॉन प्रकीर्णन मापों से मिले मैग्नॉन स्पेक्ट्रम से की। ये स्पेक्ट्रम दिखाते हैं कि क्रिस्टल में चलने वाली तरंगों के लिए कौन-कौन सी ऊर्जाएं उपलब्ध हैं। फोनॉन और मैग्नॉन की कई शाखाएं एक-दूसरे को काटती हैं; पहचाना गया सबसे निचला प्रतिच्छेद लगभग 3.7 millielectronvolts पर है।

ऐसे प्रतिच्छेद पर युग्मन से दो मिश्रित मोड बन सकते हैं, जिनमें कंपन और चुंबकीय गति दोनों शामिल हों। चुंबकीय घटक मिश्रित उत्तेजना को क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया देने का रास्ता देता है, जबकि कंपनात्मक घटक ऊष्मा वहन करता है।

ये प्रतिच्छेद प्रत्यावर्ती अंतरिक्ष की उस दिशा में होते हैं जो क्रिस्टल के b अक्ष के अनुरूप है। इससे प्रस्तावित तंत्र उस दिशा से जुड़ता है जो चुंबकन मापों में अहम थी। लेखकों ने हॉल प्रतिक्रिया के तापमान-निर्भर बदलाव से लगभग 1 millielectronvolt का ऊर्जा पैमाना भी निकाला। वे इन संबंधों को मैग्नॉन और फोनॉन के संकरण के समर्थन में पेश करते हैं; विस्तृत सूक्ष्म-स्तरीय तंत्र की आगे जांच होनी बाकी है।

ब्लैक फॉस्फोरस से पहले ही मिला था एक संकेत

इससे जुड़ा एक परिणाम 23 फरवरी 2023 को Nature Communications में प्रकाशित हुआ था। ब्लैक फॉस्फोरस अध्ययन में ऐसा मौलिक पदार्थ जांचा गया जिसमें चुंबकीय क्रम नहीं है। इससे शोधकर्ताओं को फोनॉन ऊष्मीय हॉल प्रभाव की पड़ताल एक सरल परिस्थिति में करने का मौका मिला।

इसकी अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ चालकता लगभग एक ही तापमान पर चरम पर पहुंचीं, जैसा NiPS3 में भी होता है। 12 tesla पर दो विन्यासों में मापे गए ऊष्मीय हॉल कोण क्रमशः लगभग 0.005 और 0.0012 थे, जो 0.5% और 0.12% के बराबर हैं। यह कोण मुख्य तापमान प्रवणता की तुलना में पार्श्व तापमान प्रवणता बताता है।

उस शोधपत्र में तुलना किए गए विद्युतरोधी पदार्थों में हॉल प्रतिक्रिया से गणना की गई एक विशिष्ट लंबाई लगभग 2 से 7 angstroms के बीच रही, जो परमाणुओं के बीच की दूरी के बराबर है। इस बीच, फोनॉन के माध्य मुक्त पथ में तीन से अधिक क्रम-परिमाण का अंतर था, यानी 1,000 गुना से भी ज्यादा।

ब्लैक फॉस्फोरस के शोधकर्ताओं ने प्रस्ताव दिया कि ध्वनिक कंपन शाखाओं और बंधों के आसपास विद्युत आवेश के असमान वितरण के बीच युग्मन चुंबकीय प्रतिक्रिया दे सकता है। उन्होंने प्रकीर्णन संबंधी व्याख्याओं को भी संभावनाओं में शामिल रखा। NiPS3 एक अलग प्रायोगिक तरीका जोड़ता है: ऐसे पाँच नमूने जिनका आगे की दिशा में परिवहन लगभग समान है, लेकिन चुंबकीय और अनुप्रस्थ प्रतिक्रिया में बड़ा अंतर है।

दूसरे क्रिस्टल को गर्म करने से विकार और स्रोत के बीच फर्क समझने में मदद मिली

24 मार्च 2026 को npj Quantum Materials में प्रकाशित एक अन्य अध्ययन में अलग-अलग आपूर्तिकर्ताओं से मिले स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट के चार क्रिस्टलों की जांच की गई। विकार और तापानुशीतन अध्ययन में शियाओकांग ली, कामरान बेहनिया और ज़ेंगवेई झू शामिल थे, जिन्होंने NiPS3 शोध में भी भाग लिया था।

बेहतर गुणवत्ता वाले स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट नमूनों में 9 tesla पर ऊष्मीय हॉल कोण 0.3% और 0.15% तक पहुंचे। अधिक विकार वाले क्रिस्टलों में लगभग कोई संकेत नहीं मिला। विकारग्रस्त क्रिस्टलों को हवा में 1,000 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करने से प्रतिक्रिया कुछ हद तक लौटी और 9 tesla पर लगभग 0.1% तक पहुंची, जबकि उनकी अनुदैर्ध्य ऊष्मीय चालकता में बहुत कम बदलाव आया।

तापानुशीतन यानी नियंत्रित रूप से गर्म करने के बाद ठंडा करने से आंतरिक तनाव अधिक समान हो सकता है। लेखकों के अनुसार विकार और असमान तनाव अंतर्निहित प्रतिक्रिया को दबाने वाले कारक हैं। उनके परिणाम दिखाते हैं कि दोष बहुत मायने रख सकते हैं, भले ही उन्हें हॉल प्रभाव का प्रस्तावित स्रोत न माना जाए।

टीम ने एक ही नमूने पर धात्विक चांदी के पेस्ट और विद्युतरोधी ग्रीस के संपर्कों की तुलना भी की और दोनों में एकसमान माप पाए। 10 tesla पर 0.02% से कम कोण जैसे बहुत छोटे संकेत मापने वाले प्रयोगों के लिए उन्होंने संपर्कों के संभावित योगदान की अतिरिक्त जांच की सिफारिश की।

2005 से 2026 तक फैला शोध प्रयास

NiPS3 सहयोग का नेतृत्व वुहान और पेरिस के शोधकर्ताओं ने किया। राष्ट्रीय स्पंदित उच्च चुंबकीय क्षेत्र विज्ञान केंद्र के निदेशक लियांग ली ने ज़ेंगवेई झू और ESPCI Paris के भौतिक विज्ञानी कामरान बेहनिया के साथ काम किया। डॉक्टरेट छात्र छिंगकाई मेंग और एसोसिएट शोधकर्ता शियाओकांग ली संयुक्त रूप से पहले लेखक थे।

कुछ दिनांकित पड़ाव बताते हैं कि प्रायोगिक तर्क कैसे विकसित हुआ:

• 2005: शोधकर्ताओं ने विद्युतरोधी क्रिस्टल में फोनॉन हॉल प्रभाव के पहले प्रायोगिक प्रमाण प्रकाशित किए।
• 23 फरवरी 2023: ब्लैक फॉस्फोरस अध्ययन ने इस प्रभाव को ध्वनिक कंपनों से जोड़ा और फोनॉन के माध्य मुक्त पथ के साथ संबंध न होने की बात पहचानी।
• 1 अक्टूबर 2024: NiPS3 पांडुलिपि का दूसरा संस्करण arXiv पर आया।
• 24 मार्च 2026: स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट अध्ययन में विकार, तापानुशीतन और संपर्क सामग्रियों के प्रभाव दर्ज किए गए।
• 23 अक्टूबर 2026, बीजिंग समय: Science में ऑनलाइन प्रकाशन के सिलसिले में NiPS3 अध्ययन की घोषणा की गई।

कुल मिलाकर, ये प्रयोग पार्श्व ऊष्मा परिवहन को नियंत्रित करने वाले कारकों के रूप में चुंबकीय अभिविन्यास, युग्मित कंपन और आंतरिक तनाव पर ध्यान केंद्रित करते हैं। इस प्रभाव को दोहराने की कोशिश कर रही प्रयोगशालाओं के लिए क्रिस्टल की आगे की दिशा में ऊष्मा वहन करने की क्षमता मापना ही पूरा काम नहीं है। उसकी चुंबकीय और संरचनात्मक व्यवस्था की भी बारीकी से जांच करनी होगी।

मुख्य बिंदु

• NiPS3 के पाँच क्रिस्टलों में पार्श्व ऊष्मीय चालकता लगभग दस गुना अलग थी, जबकि उनकी अनुदैर्ध्य ऊष्मा परिवहन क्षमता प्रभावी रूप से एकसमान रही।
• हॉल प्रतिक्रिया का चुंबकीय विषमता और दिशात्मक चुंबकीय मुक्त ऊर्जा के साथ तालमेल मिला, जो अंतर्निहित स्रोत का समर्थन करता है।
• ऊष्मीय हॉल चालकता 25 kelvin और 14 tesla पर लगभग -1.63 watts per meter per kelvin तक पहुंची।
• लगभग 3.7 millielectronvolts पर मैग्नॉन और फोनॉन के प्रतिच्छेद, ऊष्मा वहन करने वाले कंपनों के चुंबकीय क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया देने का एक संभावित रास्ता देते हैं।
• ब्लैक फॉस्फोरस और स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट के प्रयोग भी इस प्रतिक्रिया को फोनॉन की यात्रा-दूरी से आगे के गुणों से जोड़ते हैं, जिनमें कंपन-युग्मन, विकार और तनाव शामिल हैं।