2025 નું ફિઝિક્સનું નોબલ પારિતોષિક Michel Devoret, John M. Martinis અને John Clarke ને એક એવી ઘટનાના પરિક્ષણ માટે મળ્યું જે જાદુઇ જેવી લાગે છે અને તેને Quantum Tunneling કહે છે. યાદરહે, તેઓને નોબલ પ્રાઇઝ tunneling માટે નથી મળ્યો(કેમકે આ વિચાર તો જૂનો છે) પરંતુ આ પ્રક્રિયા કરી દેખાડવા માટે મળ્યો છે. ઉપરોક્ત ત્રણેય મહાનુભાવોએ, એ સઘળી ઘટનાઓ જે આપણને નરી આંખે દેખાતી નથી તેને પ્રયોગશાળામાં તાદ્રશ્ય કરી દેખાડી. quantum tunneling શું છે તે જાણવા માટે ત્રણ વર્ષ પહેલાની પોષ્ટ, જેની લિંક નીચે મૌજૂદ છે તેની ઉપર ક્લિક કરો, છતાં ફટાફટ થોડું સરળ ભાષામાં જોઇ લઇએ...સામાન્યપણે જ્યારે આપણે એક દિવાલ તરફ બોલ ફેંકીએ ત્યારે દિવાલને અથડાઇને બોલ પાછો આવે છે પણ...પણ...ધારોકે તે જ બોલ દિવાલની આરપાર નીકળી જાય, ન દિવાલ તૂટે અને ન બોલ વિખેરાય તો?? કેમ માથું ભમવા માંડ્યું ને! આપણી સામાન્ય દુનિયામાં આવું થતું નથી પરંતુ ક્વાન્ટમ વર્લ્ડમાં ચોક્કસપણે આવું થાય છે કઇ રીતે થાય તેમજ તેમણે આ સઘળું કાર્ય કેવી રીતે પાર પાડ્યું તેની રજેરજની સંપૂર્ણ ટેકનિકલ બાબત જાણવા માટે તૈયાર થઇ જાઓ.
https://www.facebook.com/permalink.php?story_fbid=5614754078646990&id=100003373615705&__cft__[0]=AZXA4gIPImtlusirlw_tWAN6aJN5ZviJbYMdchN15iFqc7zYFTD5kGWFOddabrmrGWWAj5U3ePw9NLW4VoSu1nezm80GlZHkRr8tMZnTLmfPbzzOlvot6CoN_giI0aKB70vijn4tqYD49eGroUfeLoJ-rC39x1E7iJ8OzXTmUyK3Nw&__tn__=%2CO%2CP-R
વાતની શરૂઆત થાય છે 1911 થી. સુપર કન્ડક્ટર એક શબ્દ છે જેની પરિભાષા કંઇક એવી છે કે, એક એવો પદાર્થ જેને જ્યારે ઠંડો કરવામાં આવે ત્યારે અચાનક એક પોઇન્ટ ઉપર આવી તેની પ્રતિકારકતા(resistivity) શૂન્ય થઇ જાય છે(જુઓ નીચેની ઇમેજ). તાપમાનના આ પોઇન્ટને ક્રિટિકલ તાપમાન કહેવાય છે. આ વાત કોણે કીધી? Heike Kamerlingh એ(પ્રાયોગિક ધોરણે)...હવે વાત કરીએ કન્ડક્ટરની તો, કન્ડક્ટરમાં ઇલેક્ટ્રોન હોય છે અને ઇલેક્ટ્રોન નેગેટિવ(ઋણાત્મક) ચાર્જ ધરાવે છે અને નેગેટિવ ચાર્જના કારણે બે ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચે અપાકર્ષણ થાય છે.
-
હવે જ્યારે કરંટને કોઇ કન્ડક્ટરમાં થી પસાર કરવામાં આવે તો સરખા ચાર્જને કારણે તેમાથી વહેતા ઇલેક્ટ્રોન્સ વચ્ચે થોડી ખેંચતાણ થશે, એકદમ સરળતાથી તેઓ વહી નથી શકતાં. આ જ ખેંચતાણ કંઇક ને કંઇક પ્રતિકારકતાનું કારણ બને છે. પણ...પણ...એક ઘટના એવી પણ બને છે જેના કારણે બે સમાન ચાર્જ ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન આપસમાં જોડી બનાવી લે છે જેને cooper pair કહે છે. આ વાતની જાણકારી Leon N. Cooper નામક વૈજ્ઞાનિકે 1956 માં આપી. પરંતુ!! અહીં એક મસમોટો સવાલ ઉભો થયો કે, બે સમાન ચાર્જ ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોન યુગલ ગીત કઇ રીતે ગાઇ શકે? તેમની વચ્ચે તો અપાકર્ષણ થવું જોઇએ. કૂપરે રિસર્ચ પેપર તો પ્રકાશિત કર્યું પરંતુ તેમની પાસે એવું કોઇ ઠોસ કારણ ન હતું જેના દ્વારા તેઓ સમગ્ર પ્રક્રિયાને સમજાવી શકે.
-
બિલકુલ તેના એક વર્ષ પછી એટલેકે 1957 માં J. Bardeen, Cooper અને J. R. Schrieffer એ મળીને એક થીઅરી આપી કે, જ્યારે આપણે કોઇ કન્ડક્ટરનું તાપમાન ખુબ નીચું લઇ જઇએ ત્યારે બે ઇલેક્ટ્રોન્સ આપસમાં જોડી બનાવી પ્રવાહિત થવા લાગે છે. આ પ્રક્રિયા કેવી રીતે થાય છે તે જોઇએ. જ્યારે આપણે કોઇ કન્ડક્ટરને ઠંડો કરીએ ત્યારે તેની અંદરના અણુઓના કંપન(lattice vibration) સ્થગિત થઇ જશે. જ્યારે કંપન સ્થગિત થઇ જાય અને એ સમય દરમિયાન જો કોઇ ઇલેક્ટ્રોન તેમાંથી પસાર થશે તો, તે તેના positive ions માં વિકૃતિ(distortion) ઉત્પન્ન કરશે અને તેના કારણે ત્યાં positive charge density વધી જશે.
-
હવે જો કોઇ બીજો ઇલેક્ટ્રોન ત્યાં આવશે તો તે, આ ચાર્જ તરફ આકર્ષાશે ખરો પરંતુ એકબીજાની તદ્દન નજીક નહીં આવે કેમકે positive ions સ્થિર હોય છે તેઓ હલનચલન નથી કરતા પરંતુ ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત વિચરણ કરી શકે છે. વધુમાં, આ આકર્ષણ એક માધ્યમ દ્વારા થાય છે જેને ફોનોન્સ(phonons) કહે છે. ટૂંકમાં એક ચેઇન આ પ્રમાણેની બનશે....ઇલેક્ટ્રોન, ફોનોન અને ઇલેક્ટ્રોન. આ સમગ્ર માળખાને જ cooper pair કહે છે(જુઓ નીચેની ઇમેજ-1). યાદરહે, અહીં બંન્ને ઇલેક્ટ્રોન્સ તદ્દન નજીક નથી રહેતા બલ્કે તેમની વચ્ચે થોડું અંતર હોય છે કેટલું? સામાન્યપણે 100 નેનોમીટર પરંતુ અહીં 0.1 થી 0.4 નેનોમીટર(જુઓ નીચેની ઇમેજ-2).
-
આકર્ષણનું આ માધ્યમ.....બાહ્ય જરા સરખી પણ ખલેલ વડે ટૂટી જાય છે કે જેની પાછળ pauli exclusion principle જવાબદાર છે જે કહે છે કે, બે fermions(યાદરહે, ઇલેક્ટ્રોન fermion અંતર્ગત આવે છે) એકસાથે એક અવસ્થામાં(state) નથી રહી શકતાં. તો પછી ઉપરોક્ત આખી કથામાં જોડી બનવાનો સવાલ જ ક્યાં ઉદભવ્યો? સવાલનો જવાબ અહીં બોઝ-આઈન્સ્ટાઈન આપે છે. જ્યારે cooper pair બને છે ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન fermions જેવા નહીં પરંતુ બોસોન કણની જેમ વર્તે છે અને બોસોનની ખાસ વાત શું છે? તેઓ એક પરિવારની જેમ એકઠા રહે છે અર્થાત તેઓને એક જ ગાણિતિક સમીકરણ દ્વારા દર્શાવી શકાય છે(fermions માટે અલગ-અલગ સમીકરણની જરૂર પડે છે).
-
ચાલો અહીં સુધી તો બધુ ઠીક છે, cooper pair પણ બની ગઇ પરંતુ તેને કંટ્રોલ કઇ રીતે કરવું? અહીં એન્ટ્રી થાય છે B. D. Josephson ની. તેમણે જણાવ્યું કે, જો આપણે બે સુપર કન્ડક્ટરની વચ્ચે પાતળી ઇન્સ્યુલેટરની પ્લેટ લગાવી દઇએ ત્યારે cooper pair એકબાજુથી બીજીબાજુ ગતિ કરવા માંડે છે અને આપણને ખબર જ છે કે જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન ગતિ કરે છે ત્યારે કરંટ ઉત્પન્ન થાય છે. પરંતુ! આ કરંટ zero voltage current હોય છે.
-
હવે અહીં પાછો એક સવાલ ઉભો થાય છે કે...બે સુપર કન્ડક્ટર વચ્ચે રહેલ પાતળી ઇન્સ્યુલેટર પ્લેટે તો ઇલેક્ટ્રોનની cooper pair ને રોકવી જોઇએ કેમકે તે વિદ્યુતની અવાહક છે. વાત તો જાણે સાચી છે પરંતુ શ્રોડિંગરે 1926 માં કહ્યું કે, ઓછી ઊર્જા ધરાવતો ઇલેક્ટ્રોન પણ વધુ ઊર્જા ધરાવતા અવરોધને પાર કરી શકે છે(જુઓ નીચેની ઇમેજ). હાં, આપણા મેક્રો વર્લ્ડમાં આવું બનતું નથી પરંતુ માઇક્રો વર્લ્ડ એટલેકે પરમાણુઓની દુનિયામાં આવું ચોક્કસપણે બને છે. મેક્રો વર્લ્ડમાં જો તમારી પાસે પુરતી ઊર્જા ન હોય તો તમે પહાડ ચઢીને ઉતરી નથી શકતા કેમકે ગ્રેવિટિ તમને આવું કરવા દેશે નહીં પણ પરમાણુઓની દુનિયામાં અવરોધની ઊર્જાનું લેવલ ગમે તેટલું વધુ હો પરંતુ તેની જાડાઇ પૂરતા પ્રમાણમાં ઓછી હો, તો કણની અવરોધને પાર કરવાની શક્યતા અનંત તો અનંત પણ ચોક્કસ હશે.
-
શું ઉપરોક્ત સમગ્ર પ્રક્રિયાનું કોઇ પ્રેક્ટિકલ ઉદાહરણ છે? બિલકુલ છે અર્નેસ્ટ રધરફોર્ડનો પ્રયોગ. અણુ નાભિની ચારેય બાજુ energy barrier એટલો વધુ હોય છે કે, જો નાભિમાંથી તૂટી કોઇ કણ બહાર નીકળવા માંગે તો બહાર નીકળી નથી શકતો પરંતુ tunneling શક્ય હોવાથી આપણને આલ્ફા પાર્ટિકલ મળે છે. અર્થાત radioactive decay પ્રક્રિયા tunneling ને આભારી છે.
-
James Zimmerman એ બેલ લેબમાં આનું એક માળખું બનાવ્યું જેને RF SQUID કહે છે. SQUID અતિશય નબળા ચુંબકીય ક્ષેત્રને પણ માપી શકે છે. કેટલા નબળા? આપણું મગજ જેટલું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન કરે છે તેના કરતા પણ દસ લાખ ગણા નબળા. હવે ફાઇનલી ત્રણેય મહાનુભાવોએ કરેલ કાર્ય ઉપર નજર કરીએ. તેમણે microwave contact નો ઉપયોગ ઊર્જા આપવા માટે કર્યો, copper powder ઘોંઘાટ(noise) ને દૂર કરવા માટે(જુઓ નીચેની ઇમેજ). હવે તેઓને ખબર તો હતી કે, આપમેળે તો તેમાંથી zero voltage current જાય છે પરંતુ જો બહારથી કરંટ આપવામાં આવે તો!!
-
બહારથી તેઓ કરંટ વધારતા ગયા પછી એક સમય એવો આવ્યો કે, cooper pair junction પાસે તેમને voltage drop દેખાવા માંડ્યો. અર્થાત બાહરી કરંટ આપી આપણે સમગ્ર પ્રક્રિયાને કંટ્રોલ કરી લીધી. ઇન શોર્ટ, tunneling ને તેમણે મેક્રો વર્લ્ડમાં કરી દેખાડ્યું. પ્રેક્ટિકલ પ્રોસેસ તો ખુબજ જટિલ છે, અહીં ઉપર છલ્લી માહિતી આપવામાં આવી છે. તેમની રિસર્ચે આજના ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટરના દ્વાર ખોલી દીધા હતાં.
(મનીષ પુરોહિત દ્વારા)
.jpeg)
.jpg)
.png)
