विद्युत इकाइयों को परिभाषित करने में मील का पत्थर

वुर्जबर्ग विश्वविद्यालय और जर्मन राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी संस्थान (पीटीबी) के वैज्ञानिकों ने एक प्रयोग किया है जो प्रतिरोध के एक नए प्रकार के क्वांटम मानक का एहसास करता है। यह क्वांटम एनोमलस हॉल इफ़ेक्ट पर आधारित है।

विद्युत प्रतिरोध का सटीक माप औद्योगिक उत्पादन या इलेक्ट्रॉनिक्स में आवश्यक है – उदाहरण के लिए, उच्च तकनीक सेंसर, माइक्रोचिप्स और उड़ान नियंत्रण के निर्माण में। “यहां बहुत सटीक माप आवश्यक हैं, क्योंकि सबसे छोटे विचलन भी इन जटिल प्रणालियों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित कर सकते हैं”, वुर्जबर्ग विश्वविद्यालय (जेएमयू) में इंस्टीट्यूट फॉर टोपोलॉजिकल इंसुलेटर के भौतिक विज्ञानी प्रोफेसर चार्ल्स गोल्ड बताते हैं।

वैज्ञानिक ने अब पहली बार प्रयोगात्मक रूप से एक तथाकथित क्वांटम प्रतिरोध मानक लागू किया है जो बाहरी रूप से लागू चुंबकीय क्षेत्र के बिना काम कर सकता है। गोल्ड कहते हैं, “भौतिकी में, मानकों का उपयोग भौतिक मात्राओं के सटीक माप और माप उपकरणों के अंशांकन के लिए निश्चित संदर्भ बिंदुओं के रूप में किया जाता है।” “क्वांटम मानक क्वांटम यांत्रिकी के अपरिवर्तनीय सिद्धांतों के आधार पर संचालित होता है, जो इसे असाधारण रूप से स्थिर बनाता है।”

मानक कैसे काम करता है

बहुत से लोग अपने भौतिकी पाठों से क्लासिक हॉल प्रभाव को याद कर सकते हैं: जब एक कंडक्टर के माध्यम से करंट प्रवाहित होता है और यह एक चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में आता है, तो एक वोल्टेज बनता है – तथाकथित हॉल वोल्टेज। इस वोल्टेज को करंट से विभाजित करने पर हॉल प्रतिरोध उत्पन्न होता है। चुंबकीय क्षेत्र मजबूत होने पर यह बढ़ता है। कुछ नैनोमीटर से नीचे के बेहद पतले कंडक्टरों में (तुलना के लिए: एक मानव बाल लगभग 100,000 नैनोमीटर मोटा होता है) और बहुत मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के साथ, प्रतिरोध अब लगातार नहीं बढ़ता है, लेकिन हमेशा समान निश्चित मूल्यों तक पहुंचता है (अलग-अलग चरण जिनके सार्वभौमिक मूल्य होते हैं, और किसी भी डिवाइस गुण से स्वतंत्र हैं)। इसे क्वांटम हॉल इफ़ेक्ट (QHE) के नाम से जाना जाता है। तथ्य यह है कि QHE में प्रतिरोध सार्वभौमिक मूल्यों पर आधारित है, जो इसे प्रतिरोध मानक निर्धारित करने के लिए आदर्श आधार बनाता है।

क्वांटम एनोमलस हॉल इफ़ेक्ट (QAHE) की विशेष विशेषता यह है कि यह क्वांटम हॉल इफ़ेक्ट को शून्य चुंबकीय क्षेत्र पर मौजूद रहने की अनुमति देता है। “किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में ऑपरेशन न केवल प्रयोग को सरल बनाता है, बल्कि एक अन्य भौतिक मात्रा निर्धारित करने में भी लाभ देता है: किलोग्राम। किलोग्राम को परिभाषित करने के लिए, किसी को विद्युत प्रतिरोध और वोल्टेज मानकों को मापना होगा एक ही समय में”, गोल्ड कहते हैं, “लेकिन वोल्टेज मानक को मापना केवल चुंबकीय क्षेत्र के बिना ही काम करता है, इसलिए QAHE इसके लिए आदर्श है”।

अब तक, शून्य बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पर QAHE के माप में क्वांटम मेट्रोलॉजी में आधुनिक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक सटीकता का अभाव था। नए माप पहली बार चुंबकीय क्षेत्र-मुक्त QAHE मानक को प्रारंभिक पारंपरिक QHE आधारित प्रतिरोध मानकों के बराबर रखते हैं, जो आवश्यक सटीक सीमा तक पहुंचते हैं।

आगे की योजनाएँ

अब तक, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के बिना क्वांटम प्रतिरोध मानक का संचालन बेहद कम तापमान और कम धाराओं तक ही सीमित है। भविष्य में मानक को व्यावसायिक रूप से उपयोग योग्य बनाने के लिए, उदाहरण के लिए उद्योग के लिए, प्रयोग में और सुधार करने की आवश्यकता है। इसलिए, गॉल्ड की वुर्जबर्ग टीम जर्मनी के ब्राउनश्वेग में फिज़िकलिश-टेक्नीस बुंडेसनस्टाल्ट (पीटीबी) और यूरोपीय मेट्रोलॉजी कंसोर्टियम क्वाहमेट के हिस्से के रूप में अंतरराष्ट्रीय शोधकर्ताओं के साथ इस दिशा में काम करना जारी रखती है।

अनुसंधान

उत्कृष्टता क्लस्टर ct.qmat

अनुसंधान टीम क्लस्टर ऑफ एक्सीलेंस ct.qmat – क्वांटम मैटर में जटिलता और टोपोलॉजी में भी भाग लेती है, जिसे 2019 से वुर्जबर्ग विश्वविद्यालय (जेएमयू) और टेक्नीश यूनिवर्सिटी (टीयू) ड्रेसडेन द्वारा संयुक्त रूप से चलाया जा रहा है। 300 से अधिक वैज्ञानिक तीस देश और चार महाद्वीप टोपोलॉजिकल क्वांटम सामग्रियों का अध्ययन करते हैं जो अत्यधिक निम्न तापमान, उच्च दबाव या मजबूत चुंबकीय क्षेत्र जैसी चरम स्थितियों में आश्चर्यजनक घटनाएं प्रकट करते हैं। ct.qmat को संघीय और राज्य सरकारों की जर्मन उत्कृष्टता रणनीति के माध्यम से वित्त पोषित किया जाता है और यह जर्मनी में दो अलग-अलग संघीय राज्यों में स्थित एकमात्र उत्कृष्टता क्लस्टर है।

अध्ययन के बारे में

10-9 स्तर पर प्रतिरोध का एक शून्य चुंबकीय क्षेत्र क्वांटम मानक। डीके पटेल, केएम फिजाल्कोव्स्की, एम. क्रुस्कोफ, एन. लियू, एम. गोट्ज़, ई. पेसेल, एम. जैमे, एम. क्लेमेंट, एस. श्रेयेक, के. ब्रूनर, सी. गोल्ड, एलडब्ल्यू मोलेनकैंप, और एच. शेरेर। डीओआई: 10.1038/एस41928'024 -01295-डब्ल्यू