पदार्थ विज्ञान
कागोमे धातुओं के फ्लैट बैंड भविष्य के सुपरकंडक्टरों का मार्ग खोल सकते हैं
Securities.io को Google पर अपने पसंदीदा स्रोतों में जोड़ें
कागोमे सुपरकंडक्टर्स में नई प्रगति
सुपरकंडक्टर ऐसी सामग्रियाँ हैं जो बिना प्रतिरोध के बिजली प्रवाहित करती हैं, लेकिन अब तक वे केवल चरम परिस्थितियों में ही काम कर पाई हैं। कागोमे धातुएँ इसे बदल सकती हैं।
इसे समझने के लिए पहले कागोमे पदार्थों की संरचना और गुणों पर नज़र डालते हैं।
नवंबर 2024 में हमने चुंबकत्व के नए सिद्धांतों का मार्ग खोलने वाली एक नई सामग्री, जिसे राइस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने विकसित किया था।
यह खोज 2022 के एक अध्ययनपर आधारित थी, जिसमें शोधकर्ताओं ने पाया कि ‘कागोमे पदार्थ’ नामक धात्विक क्रिस्टल आश्चर्यजनक चुंबकीय गुण दिखाते हैं।
कागोमे नाम पारंपरिक जापानी शिल्प में इस्तेमाल होने वाले टोकरी-बुनाई के नमूने से आया है। इस त्रि-षट्कोणीय जाल में एक-दूसरे पर चढ़े त्रिकोण और बड़े षट्कोणीय रिक्त स्थान होते हैं।
स्रोत: Research Gate
इसी तरह, चुंबकीय लौह-जर्मेनियम क्रिस्टल जैसे कागोमे पदार्थों में परमाणु इसी नमूने के अनुसार व्यवस्थित होते हैं।
राइस विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के नवीनतम शोधपत्र के अनुसार, क्रोमियम-आधारित एक अन्य कागोमे धातु CsCr₃Sb₅ (सीज़ियम-क्रोमियम-एंटिमनी) में सुपरकंडक्टर, टोपोलॉजिकल इंसुलेटर और स्पिन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों सहित भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए अपार संभावनाएँ हैं। यह शोधपत्र Nature Communications1 में ‘Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor’ शीर्षक से प्रकाशित हुआ।
कागोमे सामग्री के चुंबकीय एवं इलेक्ट्रॉनिक गुण
कागोमे पदार्थों के अनोखे गुण 2022 में ही सामने आ चुके थे:
- सुपरकंडक्टिविटी की तरह चुंबकीय प्रभाव पैदा होने के लिए इलेक्ट्रॉनों को कागोमे त्रिकोणों के चारों ओर प्रवाहित होना पड़ता है।
- ये चुंबकीय और आवेश-घनत्व तरंग प्रभाव पारंपरिक अर्थों में सुपरकंडक्टिविटी नहीं हैं, लेकिन शोधकर्ताओं ने पुष्टि की है कि कागोमे पदार्थों में ये घटनाएँ कमरे के तापमान और सामान्य दबाव पर भी बनी रह सकती हैं। इसलिए ये अधिक तापमान पर काम करने वाले सुपरकंडक्टर खोजने की दिशा में महत्वपूर्ण कदम हैं।
- ‘आवेश-घनत्व तरंग’ में इलेक्ट्रॉन आपस में ‘मिलकर’ एक सामूहिक तरंग बनाते हैं और मिलकर विद्युत धारा वहन करते हैं।
- ‘सामान्य’ सुपरकंडक्टिविटी के निरंतर इलेक्ट्रॉन प्रवाह के विपरीत, यह नल से टपकते पानी की तरह स्पंदों में दिखाई देता है।
- कागोमे पदार्थ आवेश-घनत्व तरंगें दिखाने के साथ चुंबकीय गुण भी प्रदर्शित करते हैं, जबकि सामान्यतः ये दोनों गुण परस्पर असंगत माने जाते हैं।
कुल मिलाकर, कागोमे पदार्थों की अत्यंत सुव्यवस्थित संरचना विद्युतचुंबकत्व की हमारी मौजूदा समझ की सीमा पर मौजूद घटनाओं का अध्ययन आसान बना सकती है, जैसे ‘अपरंपरागत सुपरकंडक्टिविटी’ या ‘क्वांटम स्पिन द्रवों में चुंबकीय अवस्थाओं के बीच निरंतर उतार-चढ़ाव’।
कागोमे सुपरकंडक्टर बनाना
फ्लैट बैंड इलेक्ट्रॉन
फ्लैट बैंड इलेक्ट्रॉन वे इलेक्ट्रॉन हैं जो एक विशेष इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड में स्थिर ऊर्जा, यानी ‘फ्लैट’ फैलाव, पर रहते हैं। इसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा उनके संवेग से स्वतंत्र होकर समान रहती है।
सरल शब्दों में, यह एक अत्यधिक घनी अवस्था है जिसमें इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टर जैसा व्यवहार कर सकते हैं, लेकिन इसके लिए अत्यधिक कम तापमान या बहुत अधिक दबाव जैसी सामान्य पूर्वशर्तें आवश्यक नहीं होतीं।
अब तक कागोमे जाल को इस तरह स्थिर करना कठिन था कि आवश्यक ऊर्जा स्तर पर फ्लैट बैंड बन सकें। CsCr₃Sb₅ के उपयोग से यह स्थिति बदल गई।
‘हमारे परिणाम एक आश्चर्यजनक सैद्धांतिक भविष्यवाणी की पुष्टि करते हैं और रासायनिक तथा संरचनात्मक नियंत्रण के माध्यम से विशिष्ट सुपरकंडक्टिविटी तैयार करने का मार्ग स्थापित करते हैं।’
Pengcheng Dai – राइस विश्वविद्यालय का भौतिकी एवं खगोल विज्ञान विभाग
सही क्रिस्टल बनाना
CsCr₃Sb₅ स्वाभाविक रूप से परतदार षट्कोणीय जाल में क्रिस्टलीकृत होता है।
स्रोत: Nature Communications
हालाँकि, इस प्रभाव को बड़े पैमाने पर देखने और भविष्य के व्यावसायिक उपयोग के लिए उपयुक्त सामग्री तैयार करने हेतु बहुत बड़े क्रिस्टल की आवश्यकता थी।
अपने पिछले तरीकों को बेहतर बनाकर शोधकर्ताओं ने पहले की तुलना में 100 गुना बड़े नमूने तैयार किए।
CsCr₃Sb₅ कागोमे सुपरकंडक्टर का ARPES और RIXS विश्लेषण
CsCr₃Sb₅ की इलेक्ट्रॉनिक संरचना देखने के लिए शोधकर्ताओं ने कोण-विभेदित फोटोइमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (ARPES) का उपयोग किया। यह तकनीक कण त्वरक (सिंक्रोट्रॉन) से उत्पन्न प्रकाश की मदद से इलेक्ट्रॉनों का मानचित्र बनाती है।
स्रोत: Nature Communications
इसमें सघन आणविक कक्षकों से जुड़े स्पष्ट संकेत मिले, जो इलेक्ट्रॉनिक फ्लैट बैंड की पहचान हैं। परिणामों ने यह भी पुष्टि की कि सभी ध्रुवण ज्यामितियाँ फ्लैट बैंड बनने में योगदान देती हैं।
‘हमारी सहयोगी टीम के ARPES और RIXS परिणाम एक सुसंगत तस्वीर प्रस्तुत करते हैं: यहाँ फ्लैट बैंड निष्क्रिय दर्शक नहीं, बल्कि चुंबकीय और इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य को आकार देने वाले सक्रिय घटक हैं।’
Qimiao Si – राइस विश्वविद्यालय का भौतिकी एवं खगोल विज्ञान विभाग
इसके बाद शोधकर्ताओं ने चुंबकीय उत्तेजना अवस्थाओं को मापने के लिए अनुनादी अनास्थितिक एक्स-रे प्रकीर्णन (RIXS) का उपयोग किया।
इसने भी ARPES के परिणामों से स्वतंत्र रूप से फ्लैट बैंड की मौजूदगी की पुष्टि की।
स्रोत: Nature Communications
कागोमे सुपरकंडक्टिविटी संभावनाओं पर तापमान प्रभाव
शोधकर्ताओं ने यह भी जाँचा कि तापमान बदलने पर इस नई सामग्री के गुण कैसे बदलते हैं।
अन्य संभावित सुपरकंडक्टिंग पदार्थों के विपरीत, इसके गुण 140 K (-133°C / -207°F) से 10 K (-263°C / -441°F) तक तापमान घटने पर और बेहतर हो गए।
स्रोत: Nature Communications
कुल मिलाकर, इन प्रयोगों ने न केवल एक अत्यंत आशाजनक नई सामग्री की पहचान की, बल्कि यह भी दिखाया कि जाल की ज्यामिति सीधे उभरती क्वांटम अवस्थाओं से जुड़ी है।
‘सक्रिय फ्लैट बैंड की पहचान करके हमने जाल की ज्यामिति और उभरती क्वांटम अवस्थाओं के बीच सीधा संबंध प्रदर्शित किया है।’
Ming Yi – राइस विश्वविद्यालय की एसोसिएट प्रोफेसर, भौतिकी और खगोल विज्ञान।
संभावित अनुप्रयोग
फ्लैट बैंड से मिलने वाला उच्च अवस्था-घनत्व क्वांटम क्रांतिक बिंदु के पास स्थित ऊर्जा स्तरों पर होता है और सुपरकंडक्टिविटी को संभव बना सकता है।
यह पहले के कागोमे धातु जालों से भी बेहतर है, क्योंकि कागोमे फ्लैट बैंड सामग्री के कहीं बड़े हिस्से में उच्च अवस्था-घनत्व प्रदान करते हैं।
CsCr₃Sb₅ अन्य कागोमे पदार्थों में देखी जाने वाली घनत्व तरंगों को भी दबाता है, जिससे इसकी सुपरकंडक्टिविटी की संभावना और बढ़ जाती है।
उच्च या कमरे के तापमान पर काम करने वाला कागोमे सुपरकंडक्टर क्वांटम कंप्यूटिंग, स्पिन्ट्रॉनिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों (कम ऊर्जा खपत वाले इलेक्ट्रॉनिक्स) और टोपोलॉजिकल सामग्रियों में क्रांति ला सकता है (माइक्रोसॉफ्ट द्वारा विकसित नई अवस्था के समान (MSFT ) क्वांटम कंप्यूटिंग टीम).
यहाँ तक कि ‘केवल’ एक उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर के रूप में भी इसमें मैग्लेव परिवहन, सैन्य तकनीक और बिजली उत्पादन के लिए बड़ी संभावनाएँ होंगी।
स्क्रॉल करने के लिए स्वाइप करें →
| अनुप्रयोग | कागोमे सुपरकंडक्टर्स का लाभ |
|---|---|
| क्वांटम कंप्यूटिंग | फ्लैट बैंड अवस्थाओं से स्थिर क्यूबिट्स |
| स्पिन्ट्रॉनिक्स | कम-ऊर्जा चुंबकीय मेमोरी एवं लॉजिक |
| मैग्लेव एवं परिवहन | उच्च गति, घर्षण रहित यात्रा |
| सैन्य प्रौद्योगिकी | स्टेल्थ एवं ऊर्जा-कुशल सिस्टम |
| ऊर्जा उत्पादन | ग्रिड हानियों में कमी, उच्च दक्षता |
सुपरकंडक्टिविटी समाधान में नेता
AMSC मूल्य चार्ट
AMSC बिजली ग्रिड, जहाज़ों और पवन ऊर्जा के लिए ऊर्जा समाधान प्रदान करती है। सामान्यतः कोई प्रणाली जितनी अधिक ऊर्जा-खपत वाली या विशाल होती है, उसे अत्यधिक गर्म होने से बचाने के लिए सुपरकंडक्टिंग तकनीक की आवश्यकता उतनी ही अधिक होती है।
अपने नाम के बावजूद, AMSC केवल सुपरकंडक्टर प्रणालियाँ ही नहीं, बल्कि पवन टर्बाइनों के लिए गियर ड्राइवट्रेन जैसे उत्पाद भी प्रदान करती है।
कंपनी को विद्युतीकरण और डिजिटलीकरण (AI डेटा केंद्रों सहित), अमेरिकी विनिर्माण क्षमता की वापसी तथा बढ़ते भू-राजनीतिक जोखिमों के बीच अमेरिका और सहयोगी देशों की नौसेनाओं के आधुनिकीकरण जैसी कई दीर्घकालिक प्रवृत्तियों से लाभ मिल रहा है।
बिजली आपूर्ति खंड में AMSC के ऑर्डर लगातार बढ़े हैं। सेमीकंडक्टर फैब को ग्रिड के उतार-चढ़ाव से बचाने, नवीकरणीय ऊर्जा की अनियमितता सँभालने और औद्योगिक स्थलों पर बिजली आपूर्ति एवं नियंत्रण की मांग ने इस वृद्धि को गति दी है।
पवन टर्बाइन खंड में AMSC मुख्यतः विद्युत नियंत्रण प्रणालियाँ (ECS) प्रदान करती है। कभी 2 MW टर्बाइनों के लिए ECS कंपनी का मजबूत व्यवसाय था, लेकिन समय के साथ यह घटा। भारत पर विशेष ध्यान देने वाली नई 3 MW टर्बाइन डिजाइन से AMSC को फिर वृद्धि की उम्मीद है।
सैन्य जहाज़ों के लिए AMSC अपनी उच्च-तापमान सुपरकंडक्टर चुंबकीय बारूदी-सुरंग प्रतिरोधक प्रणाली प्रदान करती है। यह जहाज़ की चुंबकीय पहचान बदलकर उसे समुद्री बारूदी सुरंगों से बचाती है। यह प्रणाली अमेरिका, कनाडा और ब्रिटेन की नौसेनाओं को बेची गई है और अब तक 7.5 करोड़ डॉलर के ऑर्डर प्राप्त हुए हैं।
कुल मिलाकर, AMSC आज उपलब्ध विशिष्ट अनुप्रयोगों में सुपरकंडक्टर तकनीक का व्यावसायिक उपयोग करने वाली सबसे सफल कंपनियों में से एक है और भविष्य की प्रगति को अपनाने के लिए भी तैयार है। हालाँकि, निवेशकों को ध्यान रखना चाहिए कि इसके शेयर में पहले काफी अस्थिरता रही है और जोखिम का आकलन उसी के अनुसार करना चाहिए।
American Superconductor Corporation (AMSC) के नवीनतम शेयर समाचार और प्रदर्शन
संदर्भित अध्ययन
1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor. Nature Communications 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5
