चिरैलिटी, किसी की दर्पण छवि से अलग होने की विशेषता, ने जीवविज्ञान और रसायन विज्ञान से लेकर भौतिकी तक के क्षेत्रों में वैज्ञानिकों को आकर्षित किया है। अक्सर "हैंडेडनेस" के रूप में संदर्भित, चिरैलिटी उन वस्तुओं का वर्णन करती है जो अलग-अलग बाएं या दाएं हाथ के रूपों में आती हैं। यह प्रकृति की एक मौलिक विशेषता है, जो कई पैमानों पर दिखाई देती है: अणुओं और अमीनो एसिड में, डीएनए की प्रतिष्ठित डबल-हेलिक्स संरचना में , और यहां तक ​​कि घोंघे के गोले के सर्पिल आकार में भी।

अब, प्रिंसटन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक ऐसे पदार्थ में छिपी हुई चिरल क्वांटम अवस्था की खोज की है जिसे कभी गैर-चिरल माना जाता था। यह सफलता भौतिकी समुदाय में लंबे समय से चली आ रही बहस पर प्रकाश डालती है और क्वांटम विज्ञान में जो संभव है उसकी सीमाओं को आगे बढ़ाती है।

नेचर कम्युनिकेशंस में प्रकाशित एक हालिया अध्ययन में , प्रिंसटन में भौतिकी के यूजीन हिगिंस प्रोफेसर एम. जाहिद हसन के नेतृत्व में एक टीम ने केवी 3 एसबी 5 में चार्ज घनत्व तरंग के भीतर टूटी हुई समरूपता का पता लगाने के लिए एक उन्नत स्कैनिंग फोटोकरंट माइक्रोस्कोप (एसपीसीएम) का उपयोग किया , जो कि कागोम जाली संरचना वाला एक टोपोलॉजिकल पदार्थ है। उनके निष्कर्ष एक बड़े विवाद को सुलझाने में मदद करते हैं: क्या इस प्रकार की सामग्री स्वचालित रूप से समरूपता को तोड़कर चिरल क्वांटम अवस्थाएँ बना सकती है - भविष्य की क्वांटम तकनीकों के विकास के लिए निहितार्थ वाला एक महत्वपूर्ण प्रश्न।

जबकि गैर-टोपोलॉजिकल प्रणालियों में भी इसी प्रकार की समरूपता भंग देखी गई है, यह पहली बार है जब इसे बड़े पैमाने पर टोपोलॉजिकल क्वांटम सामग्री में पाया गया है, जिससे यह खोज विशेष रूप से महत्वपूर्ण हो गई है।

अदृश्य के लिए एक क्वांटम टेलीस्कोप

हसन ने कहा, "यह कुछ हद तक जेम्स वेब टेलीस्कोप को क्वांटम दुनिया की ओर इंगित करने और कुछ नया खोजने जैसा है।" "हम अंततः सूक्ष्म क्वांटम प्रभावों को हल करने में सक्षम हैं जो एक टोपोलॉजिकल क्वांटम सामग्री में छिपे हुए थे।"

कागोम जाली एक द्वि-आयामी ज्यामितीय पैटर्न है जो कोने-साझा करने वाले त्रिभुजों से बना है। इसका नाम पारंपरिक बुने हुए बांस की टोकरी के पैटर्न के नाम पर रखा गया है जो जापान में एक आम डिज़ाइन है और यह लंबे समय से विदेशी क्वांटम चरणों की खोज के लिए एक केंद्रीय मंच रहा है। लंबे समय तक, इसे स्वाभाविक रूप से अकिरल माना जाता था, जिसका अर्थ है कि इसमें हाथ की कमी है। फिर भी, 2021 में, हसन के समूह ने एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (STM) का उपयोग किया और पाया कि, कुछ शर्तों के तहत, KV 3 Sb 5 स्वचालित रूप से एक असामान्य चार्ज घनत्व तरंग बनाता है - इलेक्ट्रॉनिक घनत्व का एक आवधिक मॉड्यूलेशन। यह खोज , जिसके परिणामस्वरूप नेचर में एक अत्यधिक उद्धृत पेपर आया , ने इस बारे में आकर्षक प्रश्न उठाए कि क्या चार्ज ऑर्डर के रूप में चिरैलिटी एक गैर-चिरल कागोम जाली के ऊपर उभर सकती है। यह पेपर अपने द्वारा उठाए गए मुद्दों के कारण इस क्षेत्र में तीन सबसे अधिक उद्धृत पेपरों में से एक है।

भौतिकी में स्वतःस्फूर्त आवेश क्रम एक प्रकार का चरण संक्रमण है (जैसे पानी का बर्फ में बदलना) जो तब होता है जब विद्युत आवेश गैर-यादृच्छिक पैटर्न बनाते हैं। संक्षेप में, स्वतःस्फूर्त सममिति भंग नामक प्रक्रिया के माध्यम से प्रारंभिक अव्यवस्थित अवस्था से एक व्यवस्थित अवस्था बनाई जाती है।

हालांकि, इस संक्रमण के दौरान टूटी हुई विशिष्ट सममितियों का पता लगाना कुछ निश्चित प्रकार के टोपोलॉजिकल पदार्थों में बेहद मुश्किल साबित हुआ है। ऐसे क्वांटम पदार्थों में बाएं और दाएं हाथ के क्वांटम अवस्थाओं के बीच सूक्ष्म अंतर लंबे समय से पारंपरिक मापन तकनीकों से दूर रहे हैं।

प्रकाश के साथ चिरैलिटी का खुलासा

इस समस्या से निपटने के लिए, स्नातक छात्र ज़ी-जिया चेंग और पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता शफ़ायत हुसैन, जो पेपर के दो सह-प्रमुख लेखक हैं, ने एक स्कैनिंग फोटोकरंट माइक्रोस्कोप तैयार किया है जो गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश के तहत इस टोपोलॉजिकल सामग्री की गैर-रेखीय विद्युत चुम्बकीय प्रतिक्रिया का पता लगाने में सक्षम है। यह माइक्रोस्कोप स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप से अलग है, जिसका इस्तेमाल आमतौर पर इस तरह के प्रयोगों में किया जाता है। एसपीसीएम, हालांकि एसटीएम जितना उच्च रिज़ॉल्यूशन नहीं है, इसका उपयोग तब किया जाता है जब लक्ष्य ऑप्टिकली सक्रिय सामग्रियों की विशेषता बताना और स्थानीय स्तर पर उनके फोटोकरंट व्यवहार का अध्ययन करना होता है। एसटीएम और एसपीसीएम का संयोजन तब कई-शरीर क्वांटम वेवफंक्शन की पूरी इमेजिंग प्रदान करता है।

हसन ने कहा, "इस सेटअप में, हम एक विशेष रूप से डिजाइन किए गए क्वांटम डिवाइस में रखे नमूने पर सुसंगत प्रकाश डालते हैं और उसे केंद्रित करते हैं और जैसे ही प्रकाश नमूने के साथ संपर्क करता है, यह एक फोटोकरंट उत्पन्न करता है जिसे हम माप सकते हैं।"

पूर्व पोस्टडॉक्टरल फेलो क्यू झांग के साथ मिलकर शोधकर्ताओं ने अल्ट्रा-क्लीन क्वांटम क्रिस्टल उपकरण तैयार किए और माप के लिए उन्हें 4 डिग्री केल्विन के तापमान तक ठंडा किया।

उच्च तापमान पर, फोटोकरंट ने दाएं और बाएं हाथ के गोलाकार प्रकाश के बीच कोई वरीयता नहीं दिखाई। लेकिन जैसे ही पदार्थ को उसके चार्ज घनत्व तरंग संक्रमण से आगे ठंडा किया गया, एक उल्लेखनीय बदलाव हुआ: फोटोकरंट हाथ हो गया, जो कि चिरैलिटी का एक निश्चित संकेत है जिसे गोलाकार फोटोगैल्वेनिक प्रभाव के रूप में जाना जाता है।

टूटी हुई समरूपता को मापना

शोधकर्ताओं ने पहले जाली पर दाएं-वृत्ताकार सुसंगत ध्रुवीकृत (दाएं हाथ वाला) प्रकाश डाला और फिर उसके करंट को मापा। फिर उन्होंने बाएं हाथ वाला प्रकाश डाला और उसके करंट को मापा। वे दोनों के बीच बहुत स्पष्ट अंतर देखने में सक्षम थे।

चेंग ने कहा, "हमारे माप सीधे तौर पर टूटे हुए व्युत्क्रम और दर्पण सममितियों को इंगित करते हैं और इस क्वांटम सामग्री की टोपोलॉजिकल प्रकृति पर प्रकाश डालते हैं जो चार्ज ऑर्डर प्रदर्शित करती है।" "यह पहली बार टोपोलॉजिकल सामग्री में चार्ज-ऑर्डर की स्थिति की आंतरिक किरल प्रकृति को निर्णायक रूप से स्थापित करता है।"

इसके बावजूद, इस घटना के लिए कोई स्पष्टीकरण नहीं मिल पाया है। हसन ने कहा, "हमने इस घटना की पुष्टि की है, लेकिन हमारे पास अभी तक कोई ठोस सिद्धांत नहीं है कि ऐसा क्यों होता है।" "हम अभी भी इसे पूरी तरह से समझ नहीं पाए हैं।"

हालांकि, इसके निहितार्थ बुनियादी विज्ञान से परे हैं। हसन के अनुसार, चिरल क्वांटम अवस्थाएँ एक दिन नई ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और फोटोवोल्टिक तकनीकों को शक्ति प्रदान कर सकती हैं। उन्होंने कहा, "यह आश्चर्यजनक है कि एक उभरती हुई चिरल अवस्था ऐसी स्पष्ट प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकती है जिसकी पहले कभी रिपोर्ट नहीं की गई थी।" "यह कार्य यह भी दर्शाता है कि द्वितीय-क्रम विद्युत चुम्बकीय माप टोपोलॉजिकल सामग्रियों में सूक्ष्म समरूपता भंग का पता लगाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।"

समरूपता भंग करना क्यों महत्वपूर्ण है

सममिति भंग करना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रकृति में व्यवस्थित अवस्थाओं के उद्भव की व्याख्या करता है और यह समझना कि यह प्रक्रिया कैसे काम करती है, वैज्ञानिक जांच का एक मूलभूत लक्ष्य है। भौतिकी में सममित सिद्धांत ऐसे ढाँचे हैं जिनमें ब्रह्मांड को नियंत्रित करने वाले नियम विशिष्ट परिस्थितियों में स्थिर रहते हैं। ये सिद्धांत ब्रह्मांड को समझने के लिए आवश्यक हैं और वास्तव में, वैज्ञानिक जांच की उन्नति के लिए मौलिक हैं। हालाँकि, वास्तविक दुनिया का अधिकांश भाग वास्तव में प्रकृति में विषम है। इसलिए, यह समझना कि कैसे और किन परिस्थितियों में सममिति टूटती है, भौतिकी में कई अवधारणाओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे कि चरण संक्रमण, चुंबकत्व और अतिचालकता, और टोपोलॉजिकल व्यवहार, कुछ नाम रखने के लिए।

भविष्य के बारे में क्या? हसन आशावादी हैं: "यह तो बस शुरुआत है। इन संवेदनशील उपकरणों के साथ, कौन जानता है कि हम आगे टोपोलॉजिकल क्वांटम पदार्थ की कौन सी छिपी हुई दुनिया को उजागर करेंगे।"

विरासत और क्वांटम सीमाएँ

इस शोध की जड़ें क्वांटम हॉल प्रभाव की कार्यप्रणाली में निहित हैं — एक प्रकार का टोपोलॉजिकल प्रभाव जो 1985 में भौतिकी के नोबेल पुरस्कार का विषय था। उस समय से, टोपोलॉजिकल चरणों का अध्ययन किया गया है और टोपोलॉजिकल इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं के साथ क्वांटम सामग्रियों की कई नई श्रेणियां पाई गई हैं। सबसे उल्लेखनीय रूप से, प्रिंसटन में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के आर्थर लेग्रैंड डोटी प्रोफेसर, एमेरिटस, डैनियल त्सुई ने आंशिक क्वांटम हॉल प्रभाव की खोज के लिए 1998 का ​​भौतिकी का नोबेल पुरस्कार जीता था। इसी तरह, प्रिंसटन में भौतिकी के यूजीन हिगिंस प्रोफेसर एफ. डंकन हाल्डेन ने टोपोलॉजिकल चरण संक्रमणों की सैद्धांतिक खोजों और एक प्रकार के द्वि-आयामी टोपोलॉजिकल इन्सुलेटर के लिए 2016 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार जीता

हसन और उनकी शोध टीम इन शोधकर्ताओं के पदचिन्हों पर चलते हुए टोपोलॉजिकल क्वांटम सामग्रियों के नए पहलुओं की जांच कर रही है और क्वांटम पदार्थ की नई अवस्थाओं की खोज कर रही है। इसने उन्हें 2007 में तीन-आयामी टोपोलॉजिकल इन्सुलेटर अवस्था के पहले उदाहरणों की खोज करने के लिए प्रेरित किया। तब से, हसन और उनकी टीम टोपोलॉजिकल सामग्रियों में नए क्वांटम गुणों की खोज में एक दशक से लगी हुई है जो समरूपता और टोपोलॉजी को जोड़ती है। नवीनतम खोज से पता चलता है कि टोपोलॉजिकल सामग्रियों के कुछ वर्ग क्वांटम कई-शरीर अवस्थाओं की मेजबानी कर सकते हैं जो महत्वपूर्ण समरूपताओं को तोड़ते हैं और कम तापमान पर स्वतः विकसित निश्चित चिरैलिटी प्रदर्शित करते हैं।