চতুর্মাত্রিক টপোলজিক্যাল ইনসুলেটর

গবেষকরা একটি নতুন ইলেকট্রনিক পদার্থের অবস্থার উপস্থাপন করেছেন যার নাম চতুর্মাত্রিক টপোলজিক্যাল ইনসুলেটর(QTI)। এটি সম্প্রতি তাত্ত্বিক পদার্থবিদ্যা ব্যবহার করে ভবিষ্যদ্বাণী করা হয়েছিল। এই তত্ত্বটি যাচাই করার জন্য প্রথমে পরীক্ষামূলক ফলাফল তুলে ধরা হলো।

কয়েক দশকের পুরোনো টপোলজিক্যাল ইনসুলেটরের(TI) ধারণা থেকে QTI নিয়ে দলটি কাজ শুরু করে। টপোলজিক্যাল ইনসুলেটরগুলো কেন্দ্রের দিকে অন্তরক হিসেবে এবং পরিধির দিকে পরিবাহী হিসেবে কাজ করে। এটি কম শক্তি, শক্তসমর্থ কম্পিউটার এবং ডিভাইস নির্মাণে সাহায্য করার জন্য ব্যাপক সম্ভবনাময়ী। এর সমস্তটাই হবে পারমাণবিক স্কেলে। 

টপোলজিক্যাল ইনসুলেটরগুলোর অসাধারণ বৈশিষ্ট্যগুলি তাদের ইলেকট্রনিক পদার্থগুলোর মাঝে এক অনন্য স্থান দিয়েছে। ইলেকট্রনগুলো পদার্থের মাঝে নিজস্ব দশা বা অবস্থার সৃষ্টি করতে পারে। এই দশাগুলো পানির দশার মতো কঠিন, তরল এবং গ্যাস হিসেবে পরিচিত হতে পারে, তবে তারা কখনও কখনও টপোলজিক্যাল ইনসুলেটরের মতো আরও অস্বাভাবিক দশা তৈরি করতে পারে।

স্ফটিকের মতো পদার্থগুলোতে সাধারণত টপোলজিক্যাল ইনসুলেটরের উপস্থিতি লক্ষ্য করা যায়। কিছু গবেষণায় দেখা গেছে যে প্রাকৃতিক স্ফটিকগুলোতে টপোলজিক্যাল ইনসুলেটর দশা উপস্থিত। তবে এখনো অনেক তাত্ত্বিক পূর্বাভাস প্রমাণ করা বাকি আছে।

এর মধ্যে একটি ভবিষ্যদ্বাণী ছিল একটি নতুন ধরনের টপোলজিক্যাল ইনসুলেটরের অস্তিত্ব যার কুয়াড্রোপোল মোমেন্ট নামক একটি বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য আছে। একটি উপাদান মধ্যে ইলেকট্রন এককভাবে চার্জ বহন করে।
ইলেকট্রনগুলো স্ফটিকের মাঝে শুধু দ্বিপোল গঠনের জন্যেই সজ্জিত হয় না। এগুলো চারটি বা আটটি পোল হিসেবেও একটি ইউনিট গঠন করে। এদের মাঝে সরলতম গঠন হচ্ছে চারটি পোলের যার মাঝে দুইটি ধনাত্মক এবং দুইটি ঋণাত্মক চার্জ জোড় হিসেবে থাকে।

বর্তমান সময়ে একটি পরমাণু তৈরি করা সম্ভবত সম্ভব নয়, এর আচরণ নিয়ন্ত্রণ করাও সম্ভব নয়। তবে এর পরিবর্তে দলটি প্রিন্টেড সার্কিট বোর্ড দিয়ে চতুর্মাত্রিক টোপোলজিকাল ইনসুলেটরের একটি অনুরূপ তৈরি করেন। কার্যক্ষম তৈরি একটি উপাদান ব্যবহার করে একটি QTI- র একটি কার্যকর দক্ষতা তৈরি করে। প্রতিটি সার্কিট বোর্ড চারটি অভিন্ন অনুনাদকারী(রেজোনেটর) ধারণ করে। রেজোনেটর হলো একটি নির্দিষ্ট ফ্রিকোয়েন্সিতে ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক বিকিরণ শোষণ করে এমন ডিভাইস। বোর্ডগুলি একটি গ্রিড প্যাটার্নে সাজানো হয় যাতে পুরো স্ফটিক সাদৃশ্যপূর্ণ হয়।

প্রতিটি রেজোনেটর একটি পরমাণু হিসাবে কাজ করে, এবং তাদের মধ্যে সংযোগগুলি পরমাণু মধ্যে বন্ড হিসাবে আচরণ করে। সিস্টেমে মাইক্রোওয়েভ বিকিরণ প্রয়োগ করে প্রতিটি রেজোনেটর দ্বারা কতটা পরিশোষন করেছে তা পরিমাপ করে করা হয়, যা আমাদেরকে কীভাবে ইলেক্ট্রন একটি অনুরূপ স্ফটিকের মধ্যে আচরণ করতে হবে তা আমাদের পরিমাপ করে। যত অধিক সংখ্যক মাইক্রোওয়েভ বিকিরণ একটি রেজোনেটর দ্বারা শোষিত হয়, তত বেশি সম্ভবনা থাকে এটির পরমাণুতে ইলেকট্রন খুঁজে পাওয়ার।

এটি একটি QTI এবং এটি একটি TI নয় একারণেই যে এদের মাঝে সুনির্দিষ্ট সংযোগ রয়েছে। একটি QTI প্রান্তগুলি একটি সাধারণ TI এর মতো পরিবাহক হয় না। শুধু কোণগুলি সক্রিয় হয়। এই কোণগুলো চারটি বিন্দু চার্জের অনুরূপ কাজ করে যার মাধ্যমে কুয়াড্রোপোল মোমেন্ট সৃষ্টি হবে।

গবেষণা এবং ভবিষ্যদ্বাণীর মধ্যে যোগসূত্রটি প্রমাণ করেছে যে বিজ্ঞানীরা QTI এর ভৌত বিজ্ঞানকে যথাযথভাবে ব্যবহারিক প্রয়োগের জন্য বুঝতে পারছেন।

এই নতুন অবস্থার অস্তিত্বের যথেষ্ট প্রমাণ পাওয়া গেলেও এই অবস্থার কোনো উপাদান বা পদার্থ
এখনো পর্যন্ত খুঁজে পাওয়া যায় নি।

Journal Reference: A quantized microwave quadrupole insulator with topologically protected corner states. Nature, 2018 DOI: 10.1038/nature25777