ইলেকট্রন কঠিন ও তরল দশার মধ্যে কোয়ান্টাম পরিবর্তন: এফএসইউ পদার্থবিদদের নতুন আবিষ্কার

ফ্লোরিডা স্টেট ইউনিভার্সিটির (FSU) গবেষকরা সম্প্রতি ইলেকট্রনের একটি অভিনব কোয়ান্টাম দশার সফলভাবে বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ করেছেন, যেখানে ইলেকট্রনগুলি অনমনীয়, স্ফটিকাকার কঠিন অবস্থা এবং বাধাহীন, তরল-সদৃশ গতির মধ্যে গতিশীলভাবে পরিবর্তিত হয়। এই গুরুত্বপূর্ণ অনুসন্ধানটি জার্নাল npj Quantum Materials-এ প্রকাশিত হয়েছে এবং এটি ইলেকট্রনের এই অভূতপূর্ব আচরণ প্রদর্শন করে কোয়ান্টাম বলবিদ্যার প্রতিষ্ঠিত ধারণাগুলিকে চ্যালেঞ্জ জানাচ্ছে। এফএসইউ দলের মধ্যে সহকারী অধ্যাপক সাইপ্রিয়েন লেওয়ান্ডোস্কি, সহযোগী অধ্যাপক হিতেশ চাঙ্গলানি এবং ন্যাশনাল হাই ম্যাগনেটিক ফিল্ড ল্যাবরেটরির ডকটোরাল ফেলো আমান কুমার অন্তর্ভুক্ত ছিলেন। এই জটিল তাত্ত্বিক মডেলগুলিকে বৈধতা দেওয়ার জন্য দলটি ন্যাশনাল সায়েন্স ফাউন্ডেশনের অ্যাক্সেস (ACCESS) প্রোগ্রামের সহায়তা সহ উল্লেখযোগ্য গণনামূলক সংস্থান ব্যবহার করেছিল।

এই আবিষ্কারটি মূলত জেনারেলাইজড উইগনার ক্রিস্টালের উপর কেন্দ্রীভূত, যা ইউজেন উইগনার ১৯৩৪ সালে প্রথম বর্ণনা করেছিলেন। এই তাত্ত্বিক ধারণাটি প্রস্তাব করে যে নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে দ্বি-মাত্রিক সিস্টেমে ইলেকট্রনগুলি সুশৃঙ্খল ল্যাটিসে সংগঠিত হতে পারে। উইগনারের মূল ধারণাটি ছিল যে ইলেকট্রনগুলির পারস্পরিক বিকর্ষণ যখন তাদের গতিশক্তির চেয়ে বেশি প্রভাবশালী হয়, তখন তারা একটি ইলেকট্রন কঠিন বা উইগনার ক্রিস্টাল গঠন করে। এফএসইউ-এর তদন্তে দেখা গেছে যে একটি দ্বি-মাত্রিক মোয়ার (moiré) সুপারল্যাটিসের মধ্যে কোয়ান্টাম মিথস্ক্রিয়াগুলিকে সঠিকভাবে সুর করার মাধ্যমে, এই সুশৃঙ্খল ইলেকট্রন কাঠামো একটি 'গলে যাওয়া' রূপান্তরের মধ্য দিয়ে তরল দশায় প্রবেশ করতে পারে, যা ঐতিহ্যবাহী উইগনার ক্রিস্টাল থেকে ভিন্ন, কারণ সেগুলি সাধারণত কেবল ত্রিভুজাকার ল্যাটিস গঠন করে।

এই গবেষণায় গবেষকরা এমন একটি অদ্ভুত মধ্যবর্তী দশা চিহ্নিত করেছেন, যার নাম দেওয়া হয়েছে 'কোয়ান্টাম পিনবল' দশা। এই দশায় কিছু ইলেকট্রন ল্যাটিস কাঠামোর মধ্যে স্থির থাকে, যখন অন্যগুলি বিশৃঙ্খলভাবে চলাচল করে। এই সংকর দশাটি একই সাথে বৈদ্যুতিক অন্তরক এবং পরিবাহীর বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে, যা পূর্বে পর্যবেক্ষণ করা হয়নি এমন একটি কোয়ান্টাম যান্ত্রিক প্রভাবকে উপস্থাপন করে। লেওয়ান্ডোস্কি উল্লেখ করেছেন যে এই পিনবল দশাটি একটি উত্তেজনাপূর্ণ নতুন অবস্থা যেখানে কিছু ইলেকট্রন স্থির থাকতে চায় এবং অন্যগুলি ভেসে বেড়াতে চায়, যার ফলে কিছু অংশ অন্তরক এবং কিছু অংশ বিদ্যুৎ পরিবাহী হয়।

এই জটিল দশা চিত্রগুলি তৈরি করতে, গবেষণা দলটি অত্যাধুনিক বিশ্লেষণাত্মক কৌশলগুলি ব্যবহার করেছিল, বিশেষত সঠিক ডায়াগোনালাইজেশন (exact diagonalization) এবং মন্টি কার্লো সিমুলেশন, যা কোয়ান্টাম অনেক-বস্তু পদার্থবিদ্যার জটিলতা মোকাবেলায় সহায়ক। ডেনসিটি ম্যাট্রিক্স রিনরমালাইজেশন গ্রুপ (DMRG)-এর মতো পদ্ধতিগুলিও এই ধরনের কোয়ান্টাম বহু-বস্তু সিস্টেমের নিম্ন-শক্তির পদার্থবিদ্যা উচ্চ নির্ভুলতার সাথে পাওয়ার জন্য ব্যবহৃত হয়, যা স্টিভেন আর. হোয়াইট দ্বারা উদ্ভাবিত হয়েছিল। দ্বি-মাত্রিক মোয়ার সিস্টেমের ব্যবহার গবেষকদের জেনারেলাইজড উইগনার ক্রিস্টালের মধ্যে স্ট্রাইপ বা ষড়ভুজাকার কাঠামোর মতো অ-ত্রিভুজাকার স্ফটিক আকার গঠন পর্যবেক্ষণ করতে সক্ষম করেছে, যা প্রচলিত উইগনার ক্রিস্টালের থেকে আলাদা। চাঙ্গলানি উল্লেখ করেছেন যে গবেষণায় এই নির্দিষ্ট দশা রূপান্তরকে ট্রিগার করার জন্য প্রয়োজনীয় সঠিক 'কোয়ান্টাম নব' বা শক্তির স্কেলগুলি নির্ধারণ করা জড়িত ছিল।

শিল্প পর্যবেক্ষকরা পরামর্শ দিয়েছেন যে এই আবিষ্কার কোয়ান্টাম প্রযুক্তির অগ্রগতির জন্য যথেষ্ট গুরুত্ব বহন করে, বিশেষত ফল্ট-টলারেন্ট কোয়ান্টাম কম্পিউটারের জন্য প্রয়োজনীয় আরও শক্তিশালী কিউবিট প্রকৌশলের ক্ষেত্রে। ইলেকট্রন দশাগুলিকে সক্রিয়ভাবে সুর করার ক্ষমতা নিম্ন-শক্তির স্পিনট্রনিক্সের অগ্রগতিকেও ত্বরান্বিত করতে পারে—যা কম শক্তি খরচ করে মেমরি এবং লজিক প্রক্রিয়াকরণের বৃদ্ধিকে লক্ষ্য করে—এবং গ্রাফিনের মতো উপকরণ ব্যবহারকারী ডিভাইসগুলিকে উন্নত করতে পারে। এই গবেষণার একটি মূল সুবিধা হল যে এই জটিল কোয়ান্টাম ঘটনাগুলি অতি-নিম্ন, ক্রায়োজেনিক তাপমাত্রার কঠোর প্রয়োজনীয়তা ছাড়াই পর্যবেক্ষণ করার সম্ভাবনা রয়েছে, যা কক্ষ-তাপমাত্রার কোয়ান্টাম প্রভাব উপলব্ধি করার পথ খুলে দেয় এবং সম্ভাব্যভাবে উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন সুপারকন্ডাক্টরগুলির অগ্রগতি ঘটায়। শক্তির স্কেলগুলি সুর করার মাধ্যমে ইলেকট্রন অবস্থাগুলি পরিচালনা করার ক্ষমতা, ক্লাসিক্যাল ফুটন্তের অনুরূপ হলেও কোয়ান্টাম নীতি দ্বারা শাসিত, পদার্থের বিভিন্ন দশার মধ্যে কীভাবে রূপান্তর ঘটে তা বোঝার জন্য একটি নতুন পরীক্ষামূলক ভিত্তি সরবরাহ করে।