உலகின் எரிசக்தி தேவைகளை பூர்த்தி செய்வது (Advances of superconductivity) ஒரு முக்கியமான கட்டத்தை எட்டியுள்ளது. தொழில்நுட்ப யுகத்தை வலுப்படுத்துவது உலகளவில் சிக்கல்களை ஏற்படுத்தியுள்ளது.
சுற்றுப்புற அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலையில் செயல்படக்கூடிய சூப்பர் கண்டக்டர்களை உருவாக்குவது பெருகிய முறையில் முக்கியமானது. இது எரிசக்தி நெருக்கடியைத் தீர்க்க நீண்ட தூரம் செல்கிறது.
சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டியுடன் கூடிய முன்னேற்றங்கள் குவாண்டம் பொருட்களின் முன்னேற்றத்தில் உள்ளது. குவாண்டம் பொருட்களின் உள்ளே இருக்கும் எலக்ட்ரான்கள் ஒரு கட்ட மாற்றத்திற்கு உட்படும் போது, எலக்ட்ரான்கள் பின்னங்கள் போன்ற சிக்கலான வடிவங்களை உருவாக்கலாம். ஒரு ஃப்ராக்டல் என்பது முடிவில்லாத முறை ஆகும். ஃப்ராக்டலில் பெரிதாக்கும்போது, படம் ஒரே மாதிரியாக இருக்கும்.
பொதுவாக காணப்படும் ஃப்ராக்டல்கள் குளிர்காலத்தில் ஒரு மரமாகவோ அல்லது ஜன்னலில் உறைபனியாகவோ இருக்கலாம். ஃப்ராக்டல்கள் இரண்டு பரிமாணங்களில் உருவாகலாம், ஒரு ஜன்னலில் உறைபனி போன்ற அல்லது ஒரு மரத்தின் மூட்டுகள் போன்ற முப்பரிமாண இடைவெளியில் உருவாகலாம்.
பர்டூ பல்கலைக்கழகத்தில் இயற்பியல் மற்றும் வானியல் துறையின் 150வது ஆண்டு விழா பேராசிரியரான டாக்டர் எரிகா கார்ல்சன், வடிவங்களை இயக்கும் அடிப்படையான இயற்பியலை வெளிக்கொணர, இந்த எலக்ட்ரான்கள் உருவாக்கும் ஃப்ராக்டல் வடிவங்களை வகைப்படுத்துவதற்கான தத்துவார்த்த நுட்பங்களை உருவாக்கிய குழுவை வழிநடத்தினார்.
கார்ல்சன், ஒரு கோட்பாட்டு இயற்பியலாளர், சூப்பர் கண்டக்டர் Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x (BSCO) இல் எலக்ட்ரான்களின் இருப்பிடங்களின் உயர் தெளிவுத்திறன் படங்களை மதிப்பீடு செய்தார். மேலும் இந்த படங்கள் உண்மையில் ஃப்ராக்டல் என்று தீர்மானித்து, அவை முழு முப்பரிமாண இடைவெளியில் விரிவடைவதைக் கண்டறிந்தார். இது ஒரு மரம் நிரப்பும் இடத்தைப் போல, பொருளால் ஆக்கிரமிக்கப்பட்டது.
ஃபிராக்டல் படங்களுக்குள் சீரற்ற சிதறல்கள் என்று ஒரு காலத்தில் கருதப்பட்டு நோக்கம் கொண்டது மற்றும் அதிர்ச்சியூட்டும் வகையில், எதிர்பார்த்தபடி அடிப்படையான குவாண்டம் கட்ட மாற்றம் காரணமாக அல்ல, மாறாக கோளாறு-உந்துதல் கட்ட மாற்றத்தின் காரணமாக.
கார்ல்சன் பல நிறுவனங்களில் ஆராய்ச்சியாளர்களின் கூட்டுக் குழுவை வழிநடத்தி, அவர்களின் கண்டுபிடிப்புகளை, “Bi2-xPbzSr2-yLayCuO6+x இன் சூப்பர் கண்டக்டிங் டோப்பிங் ரேஞ்சில் உள்ள முக்கியமான நெமடிக் தொடர்புகள்” என்ற தலைப்பில் வெளியிட்டார்.
குழுவில் பர்டூ விஞ்ஞானிகள் மற்றும் கூட்டாளர் நிறுவனங்கள் உள்ளனர். பர்டூவிலிருந்து, குழுவில் கார்ல்சன், டாக்டர். ஃபாரஸ்ட் சிம்மன்ஸ், சமீபத்திய Ph.D. மாணவர், மற்றும் முன்னாள் Ph.D. மாணவர்கள் டாக்டர். ஷுவோ லியு மற்றும் டாக்டர். பெஞ்சமின் பிலாபாம். பர்டூ குழுவானது பர்டூ குவாண்டம் அறிவியல் மற்றும் பொறியியல் நிறுவனத்தில் (PQSEI) தங்கள் பணியை முடித்தது.
இதில் கூட்டாளர் நிறுவனங்களின் குழுவில் டாக்டர். ஜெனிபர் ஹாஃப்மேன், டாக்டர். கேன்-லி சாங், ஹார்வர்ட் பல்கலைக்கழகத்தின் டாக்டர். எலிசபெத் மெயின், அர்பானா-சாம்பெய்ன் பல்கலைக்கழகத்தின் டாக்டர். கரின் டாஹ்மென் மற்றும் பென்சில்வேனியா மாநில பல்கலைக்கழகத்தின் டாக்டர் எரிக் ஹட்சன் ஆகியோர் அடங்குவர்.
“கப்ரேட் உயர் வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டரின் படிகங்களின் மேற்பரப்புகளின் STM படங்களிலிருந்து கார்ல்சன் மற்றும் கூட்டுப்பணியாளர்களால் புத்திசாலித்தனமாகப் பிரித்தெடுக்கப்பட்ட ஓரியண்டேஷனல் (‘நெமடிக்’) டொமைன்களின் பின்னப்பட்ட வடிவங்களின் அவதானிப்பு சுவாரஸ்யமாகவும் அழகியல் ரீதியாகவும் ஈர்க்கக்கூடியது.
ஆனால் கணிசமான அடிப்படை இந்த பொருட்களின் அத்தியாவசிய இயற்பியலைப் பற்றிக் கொள்வதில் முக்கியத்துவம் உள்ளது” என்கிறார் ஸ்டான்போர்ட் பல்கலைக்கழகத்தின் பிரபு கோயல் குடும்பப் பேராசிரியரும், குவாண்டம் பொருட்களில் புதிய மின்னணு நிலைகளில் நிபுணத்துவம் பெற்ற கோட்பாட்டு இயற்பியலாளருமான டாக்டர் ஸ்டீவன் கிவெல்சன்.
“சில வகையான நெமடிக் வரிசை, பொதுவாக மிகவும் பழமையான சார்ஜ்-அடர்த்தி-அலை வரிசையின் அவதாரமாக கருதப்படுகிறது, இது கப்ரேட்டுகளின் கோட்பாட்டில் முக்கிய பங்கு வகிக்கும் என்று யூகிக்கப்படுகிறது. ஆனால் இந்த முன்மொழிவுக்கு ஆதரவான சான்றுகள் முன்பு இருந்தன கார்ல்சன் மற்றும் பலரின் பகுப்பாய்விலிருந்து இரண்டு முக்கியமான அனுமானங்கள் பின்பற்றப்படுகின்றன.
1) நெமாடிக் டொமைன்கள் பின்னமாகத் தோன்றுவது, தொடர்பு நீளம் நெமாடிக் வரிசை ஒத்திசைவைப் பராமரிக்கும் தூரம் பார்வைக் களத்தை விட பெரியது என்பதைக் குறிக்கிறது. சோதனையின், அதாவது மற்ற நுண்ணிய அளவீடுகளுடன் ஒப்பிடும்போது இது மிகப் பெரியது.
2) கிளாசிக்கல் ஸ்டாட்டிஸ்டிகல் மெக்கானிக்ஸ் நெமடிக் வரிசையின் அளவு வெளிப்புற அளவுகளால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது மற்றும் உள்ளார்ந்த முறையில் (அதாவது படிக குறைபாடுகள் இல்லாத நிலையில்) இது இன்னும் நீண்ட தூர தொடர்புகளை மேற்பரப்புடன் மட்டுமல்லாமல், ஆழமாக விரிவடையும் என்று பரிந்துரைக்கிறது, படிகம்.”
இந்த ஃப்ராக்டல்களின் உயர் தெளிவுத்திறன் படங்கள் ஹார்வர்ட் பல்கலைக்கழகத்தில் உள்ள ஹாஃப்மேனின் ஆய்வகத்திலும், இப்போது பென் மாநிலத்தில் உள்ள ஹட்சனின் ஆய்வகத்திலும், ஸ்கேனிங் டன்னலிங் மைக்ரோஸ்கோப்களை (STM) பயன்படுத்தி, BSCO, ஒரு குப்ரேட் சூப்பர் கண்டக்டரின் மேற்பரப்பில் எலக்ட்ரான்களை அளவிடுவதற்கு மிகவும் சிரமப்பட்டு எடுக்கப்பட்டது.
நுண்ணோக்கி பிஎஸ்சிஓவின் மேல் பரப்பில் உள்ள அணுவை ஸ்கேன் செய்கிறது, மேலும் அவர்கள் கண்டறிந்தது ஒரே திசைக்கு பதிலாக இரண்டு வெவ்வேறு திசைகளில் செல்லும் பட்டை நோக்குநிலைகள். இதன் விளைவாக, சிவப்பு மற்றும் நீல நிறத்தில் மேலே காணப்பட்டது. இது ஒரு துண்டிக்கப்பட்ட படமாகும். இது மின்னணு பட்டை நோக்குநிலைகளின் சுவாரஸ்யமான வடிவங்களை உருவாக்குகிறது.
“மின்னணு வடிவங்கள் சிக்கலானவை, துளைகளின் உள்ளே துளைகள் மற்றும் விளிம்புகள் அலங்கரிக்கப்பட்ட ஃபிலிகிரீயை ஒத்திருக்கின்றன” என்று கார்ல்சன் விளக்குகிறார். “பிராக்டல் கணிதத்தில் இருந்து நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தி, இந்த வடிவங்களை பின்ன எண்களைப் பயன்படுத்தி வகைப்படுத்துகிறோம். கூடுதலாக, எத்தனை கொத்துகள் ஒரு குறிப்பிட்ட அளவு, மற்றும் தளங்கள் ஒரே கிளஸ்டரில் இருக்கும் சாத்தியம் போன்ற விஷயங்களை வகைப்படுத்த, கட்ட மாற்றங்களிலிருந்து புள்ளியியல் முறைகளைப் பயன்படுத்துகிறோம்” என்று அவர் கூறினார்.
கார்ல்சன் குழு இந்த வடிவங்களை பகுப்பாய்வு செய்தவுடன், அவர்கள் ஒரு ஆச்சரியமான முடிவைக் கண்டனர். இந்த வடிவங்கள் பிளாட் லேயர் ஃப்ராக்டல் நடத்தை போன்ற மேற்பரப்பில் மட்டும் உருவாகவில்லை. ஆனால் அவை மூன்று பரிமாணங்களில் இடத்தை நிரப்புகின்றன.
இந்த கண்டுபிடிப்புக்கான உருவகப்படுத்துதல்கள் பர்டூ பல்கலைக்கழகத்தில் ரோசன் சென்டர் ஃபார் அட்வான்ஸ்டு கம்ப்யூட்டிங்கில் பர்டூவின் சூப்பர் கம்ப்யூட்டர்களைப் பயன்படுத்தி மேற்கொள்ளப்பட்டன. ஐந்து வெவ்வேறு ஊக்கமருந்து நிலைகளில் உள்ள மாதிரிகள் ஹார்வர்ட் மற்றும் பென் மாநிலத்தால் அளவிடப்பட்டன. மேலும் இதன் விளைவாக ஐந்து மாதிரிகளிலும் ஒரே மாதிரியாக இருந்தது.
இல்லினாய்ஸ் (டாஹ்மென்) மற்றும் பர்டூ (கார்ல்சன்) இடையேயான தனித்துவமான ஒத்துழைப்பு, ஒழுங்கற்ற புள்ளிவிவர இயக்கவியலில் இருந்து கிளஸ்டர் நுட்பங்களை சூப்பர் கண்டக்டர்கள் போன்ற குவாண்டம் பொருட்களின் துறையில் கொண்டு வந்தது. கார்ல்சனின் குழுவானது குவாண்டம் பொருட்களுக்குப் பயன்படுத்துவதற்கான நுட்பத்தைத் தழுவி, குவாண்டம் பொருட்களில் மின்னணு பின்னங்களுக்கு இரண்டாம் வரிசை கட்ட மாற்றங்களின் கோட்பாட்டை விரிவுபடுத்தியது.
“கப்ரேட் சூப்பர் கண்டக்டர்கள் எவ்வாறு செயல்படுகின்றன என்பதைப் புரிந்துகொள்வதற்கு இது ஒரு படி மேலே கொண்டு வருகிறது” என்று கார்ல்சன் விளக்குகிறார். “இந்த சூப்பர் கண்டக்டர்களின் குடும்ப உறுப்பினர்கள் தற்போது சுற்றுப்புற அழுத்தத்தில் நிகழும் மிக உயர்ந்த வெப்பநிலை சூப்பர் கண்டக்டர்கள் ஆகும்.
சுற்றுப்புற அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலையில் வேலை செய்யும் சூப்பர் கண்டக்டர்களை நாம் பெற முடிந்தால், ஆற்றல் நெருக்கடியைத் தீர்க்க நாம் நீண்ட தூரம் செல்ல முடியும். ஏனெனில் தற்போது நாம் பயன்படுத்தும் கம்பிகள் ரன் எலக்ட்ரானிக்ஸ் என்பது சூப்பர் கண்டக்டர்களை விட உலோகங்கள், உலோகங்களைப் போலல்லாமல், சூப்பர் கண்டக்டர்கள் ஆற்றல் இழப்பின்றி மின்னோட்டத்தை முழுமையாகக் கொண்டு செல்கின்றன.
மறுபுறம், வெளிப்புற மின் இணைப்புகளில் நாம் பயன்படுத்தும் அனைத்து கம்பிகளும் உலோகங்களைப் பயன்படுத்துகின்றன. அவை மின்னோட்டத்தை எடுத்துச் செல்லும் முழு நேரத்திலும் ஆற்றலை இழக்கின்றன. அவை மிகவும் அதிக காந்தப்புலங்களை உருவாக்கவும், மற்றும் காந்த லெவிட்டேஷனுக்காகவும் பயன்படும் என்பதால், அவை தற்போது (பாரிய குளிரூட்டும் சாதனங்களுடன்!) மருத்துவமனைகள் மற்றும் லெவிடேட்டிங் ரயில்களில் MRI களில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.”
கார்ல்சன் குழுவிற்கான அடுத்த படிகள் மற்ற குவாண்டம் பொருட்களுக்கு கார்ல்சன்-டாஹ்மென் கிளஸ்டர் நுட்பங்களைப் பயன்படுத்துவதாகும். “இந்த கிளஸ்டர் நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தி, வெனடியம் டை ஆக்சைடு (VO2) மற்றும் நியோடைமியம் நிக்கலேட்டுகள் (NdNiO3) உள்ளிட்ட பிற குவாண்டம் பொருட்களில் உள்ள எலக்ட்ரானிக் ஃப்ராக்டல்களையும் நாங்கள் கண்டறிந்துள்ளோம்.
குவாண்டம் பொருட்களில் இந்த நடத்தை உண்மையில் எங்கும் காணப்படலாம் என்று நாங்கள் சந்தேகிக்கிறோம்,” என்கிறார் கார்ல்சன். இந்த வகை கண்டுபிடிப்பு குவாண்டம் விஞ்ஞானிகளை சூப்பர் கண்டக்டிவிட்டியின் புதிர்களை தீர்க்க நெருக்கமாக வழிநடத்துகிறது. “குவாண்டம் பொருட்களின் பொதுவான துறையானது பொருட்களின் குவாண்டம் பண்புகளை முன்னணியில் கொண்டு வருவதை நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது.
அவற்றை நாம் கட்டுப்படுத்தி தொழில்நுட்பத்திற்காகப் பயன்படுத்த முடியும்” என்று கார்ல்சன் விளக்குகிறார். “ஒவ்வொரு முறையும் ஒரு புதிய வகை குவாண்டம் பொருள் கண்டுபிடிக்கப்படும்போது அல்லது உருவாக்கப்படும்போது, ஓவியர்கள் வண்ணம் தீட்டுவதற்கு ஒரு புதிய நிறத்தைக் கண்டுபிடிப்பதைப் போல வியத்தகு முறையில் புதிய திறன்களைப் பெறுகிறோம்” என்று கார்ல்சன் விளக்குகிறார்.