6.11 अतिचालकता और जोसेफसन प्रभाव

सूची ／ अध्याय 6: क्वांटम क्षेत्र

I. घटनाएँ और सवाल

कुछ धातुओं/सिरेमिक को बहुत ठंडा करने पर प्रतिरोध नाप-सीमा से नीचे चला जाता है और परिपथ में धारा वर्षों तक घटे बिना प्रवाहित रहती है। लगाया गया चुम्बकीय क्षेत्र बल्क से बाहर धकेला जाता है और केवल क्वांटाइज़्ड फ्लक्स ट्यूबों के रूप में अंदर घुसता है। दो अतिचालकों के बीच बहुत पतली इन्सुलेट परत रख दें तो बिना वोल्टेज के भी स्थिर धारा बहती है; उच्च आवृत्ति पर रोशन करने पर वोल्टेज में सीढ़ीनुमा तल उभर आते हैं।

ये संकेत—शून्य प्रतिरोध, पूर्ण प्रतिचुम्बकन (क्वांटाइज़्ड फ्लक्स-प्रवेश के साथ), शून्य बायस पर सुपरधारा, तथा रेडियो–आवृत्ति पर सीढ़ियाँ—सीधे प्रश्न खड़े करते हैं: ठंडाते ही “घर्षण” क्यों गायब हो जाता है? क्षेत्र केवल तय क्वांटा में ही क्यों प्रवेश करता है? धारा इन्सुलेटर के आर-पार कैसे जाती है, और माइक्रोवेव वोल्टेज पर नियमित प्लेटो क्यों बनाती है?

II. ऊर्जा–फिलामेंट सिद्धान्त (EFT) से व्याख्या: फेज–लॉक इलेक्ट्रॉन–युग्म, सामूहिक रूप से बंद नुकसान–मार्ग, और अवरोध के पार सह–सम्बद्ध रिले

1. पहले युग्म बनते हैं, फिर फेज “सीया” जाता है।
   EFT में इलेक्ट्रॉन एक स्थिर एक–लूप घुमाव है; इसकी बाहरी परत ऊर्जा–समुद्र (Energy Sea) व क्रिस्टलीय जाल से अन्तःक्रिया करती है। ताप घटने पर जाल–कंपन घटता है और कुछ पदार्थों में एक चिकना “तनाव–कॉरिडोर” तैयार होता है जिसमें दो इलेक्ट्रॉन विपरीत उन्मुखीकरण के साथ साथ चलते हुए इलेक्ट्रॉन–युग्म बनाते हैं। इससे कई विखंड–मार्ग दब जाते हैं। और ठंडा करने पर अनेक युग्मों की बाहरी फेज–परतें परस्पर एक ही फेज–जाल में सधती हैं—जैसे पूरे नमूने पर बिछी “फेज–कालीन”।
2. शून्य प्रतिरोध क्यों: नुकसान–मार्ग सामूहिक रूप से बंद हो जाते हैं।
   साधारण प्रतिरोध सूक्ष्म रास्तों से ऊर्जा–लीकेज से आता है—मलिनता, फॉनॉन, सतह की खुरदरापन। फेज–कालीन फैलते ही स्थानीय शिकनें, जो सह–सम्बद्धता तोड़ती हैं, मुश्किल से बनती हैं; नुकसान–सीमा अचानक ऊपर उठती है। जब तक ड्राइव उस कालीन को फाड़ नहीं देता, धारा ऊर्जा नहीं गंवाती—हम शून्य प्रतिरोध देखते हैं।
3. Meissner निष्कासन और फ्लक्स–क्वांटाइज़ेशन क्यों: फेज़ मनमाने मोड़ को नकारता है।
   कालीन को समतल रहने देना हो तो चुम्बकीय क्षेत्र फेज़ को मनमाने ढंग से न मोड़े। सतह पर स्क्रीनिंग–करंट बनते हैं जो क्षेत्र को बाहर धकेलते हैं। कुछ पदार्थों में क्षेत्र पतली ट्यूबों के रूप में घुसता है; हर ट्यूब में फेज़ को पूर्ण घूर्णों में लपेटना पड़ता है—यही फ्लक्स–क्वांटाइज़ेशन है। इन ट्यूबों को खोखले तनाव–कोर मान सकते हैं जिनके चारों ओर फेज़ घूमें; वे एक–दूसरे को धकेलकर ज्यामितीय जाल बना लेते हैं।
4. जोसेफसन धारा क्यों: लगभग–क्रिटिकल दरार में सह–सम्बद्ध पुल।
   दो फेज–कालीनों को एक अल्ट्रा–थिन इन्सुलेटर से अलग करें तो बीच में संकीर्ण दरार लगभग–सीमा पर बैठती है। इस दरार से दोनों ओर की फेज़ें रिले की तरह सह–सम्बद्धता से पार–संचारित होती हैं: कोई एक–एक इलेक्ट्रॉन “धक्का” नहीं देता, बल्कि बीच में एक लघु फेज़–पुल सीया जाता है।
   • यदि दोनों ओर एक ही ताल रहे तो पुल फेज़ को लगातार ढोता है और शून्य वोल्टेज पर DC सुपरधारा बहती है।
   • ताल भिन्न हो—DC वोल्टेज या RF–ड्राइव के कारण—तो फेज़–अन्तर समान–गति से बढ़ता है या बाहरी ड्राइव पर लॉक हो जाता है; पुल तय लय में सुपरधारा पम्प करता है: AC प्रतिक्रिया और माइक्रोवेव पर वोल्टेज–सीढ़ियाँ।
5. अपूर्णता क्यों दिखती है: दोष व फाड़ नुकसान खोलते हैं।
   बहुत बड़ा करंट, प्रबल क्षेत्र, ऊँचा ताप या क्वांटाइज़्ड वोर्टेक्स के पिनिंग–स्थल कालीन को खींचकर छेद खोल देते हैं; ऊर्जा वहाँ से निकलती है—क्रिटिकल करंट, लॉस–पीक और अनरेखीय प्रतिसाद दिखते हैं।

III. आदर्श परिदृश्य

• दो तरह के अतिचालक।
  कुछ वस्तुएँ लगभग पूरा क्षेत्र बाहर फेंकती हैं और सीमा पार टूट पड़ती हैं; अन्य फ्लक्स–ट्यूबों को अंदर आने देती हैं, प्रबल क्षेत्र में वोर्टेक्स–लैटिस बनता है और धारा फिर भी चलती है। यह फेज–कालीन की चुम्बकीय–मोड़ सहनशीलता का अंतर है।
• अतिचालक छल्ले और टिकाऊ धारा।
  बंद लूप में फेज़ का पूर्ण चक्कर अनिवार्य है; कालीन न फटे तो धारा बनी रहती है। फ्लक्स को अपूर्ण चक्कर पर सेट करें तो तन्त्र निकटतम पूर्ण चक्कर पर उछलता है—स्थिर, असतत स्थितियाँ बनती हैं।
• टनल जंक्शन और कमज़ोर–लिंक।
  अतिसूक्ष्म दरार में शून्य बायस पर सुपरधारा बहती है; माइक्रोवेव पर वोल्टेज लॉक होकर नियमित सीढ़ियों में बैठता है—बाहरी ताल से फेज–लॉक की पहचान।
• समांतर छल्ले: इंटरफेरोमीटर।
  दो “फेज़–पुल” मिलकर छोटा छल्ला बनाते हैं; बाहरी फ्लक्स दोनों पुलों की फेज़–शिफ्ट अलग–अलग करता है; कुल सुपरधारा आवधिक रूप से डोलती है—अति–संवेदी चुंबकीय–माप सम्भव होती है।

IV. देखे जाने योग्य संकेत

• शून्य प्रतिरोध की तीव्र छलाँग (क्रिटिकल ताप पर)।
• पूर्ण प्रतिचुम्बकन या फ्लक्स–ट्यूब के ज्यामितीय जाल।
• शून्य वोल्टेज सुपरधारा और निश्चित क्रिटिकल करंट।
• RF पर वोल्टेज–सीढ़ियाँ (फेज़–लॉकिंग)।
• छल्लों में इंटरफेरेंस–आवृत्ति।
• वोर्टेक्स पिनिंग/स्लिप: दोष होने पर हानि घटती पर क्रिटिकल करंट बढ़ता; वोर्टेक्स चलने पर लॉस–पीक दिखते हैं।

V. मुख्यधारा से तालमेल

• परम्परागत वर्णन युग्म–संघनन को एक मैक्रोस्कोपिक ऑर्डर–पैरामीटर (फेज़ वाली जटिल अम्प्लीट्यूड) से लिखता है। शून्य प्रतिरोध बिना हानि के फेज़–प्रवाह से आता है; प्रतिचुम्बकन फेज़–मोड़ के प्रतिरोध से; फ्लक्स–क्वांटाइज़ेशन और वोर्टेक्स पूर्ण घूर्ण–बाध्यता से।
• EFT वही कथा को मूर्त ज्यामिती में कहता है: इलेक्ट्रॉन–युग्म = जोड़ीदार घुमाव; फेज़–कालीन = पूरे नमूने में फैला सामूहिक फेज़–जाल; शून्य प्रतिरोध = नुकसान–मार्गों का सामूहिक बन्द; फ्लक्स–क्वांटाइज़ेशन = खोखले–कोर वाले टोपोलॉजिकल दोष; जोसेफसन प्रभाव = अल्प–लम्बाई फेज़–पुल जो लगभग–क्रिटिकल दरार पर “सीया” जाता है। घटनाएँ और मात्रात्मक सम्बन्ध मेल खाते हैं; EFT बस “फिलामेंट और समुद्र” की सामग्री–कथा जोड़ता है।

VI. संक्षेप में

अतिचालकता का अर्थ यह नहीं कि इलेक्ट्रॉन अचानक “परफेक्ट” हो गए। क्रम यह है: पहले युग्म बनना, फिर फेज़ लॉक होना, और अंततः दरार के पार रिले करना—

• हल्के ड्राइव पर कालीन नुकसान बंद कर देता है → प्रतिरोध शून्य।
• कालीन मनमाने मोड़ नहीं सहता → क्षेत्र बाहर धकेलता है, या केवल क्वाँटम–वोर्टेक्स के रूप में भीतर आने देता है।
• दो कालीनों के बीच फेज़–पुल सिया जा सकता है → शून्य बायस पर सुपरधारा; माइक्रोवेव पर वोल्टेज सीढ़ियों पर लॉक हो जाता है।