কোরীয় দলের পরমাণু-পাতলা কাগোমিনে তৈরি, ঘন ফ্ল্যাট ব্যান্ড উষ্ণতর কোয়ান্টাম পরীক্ষার পথ খুলেছে

মাত্র ০.৭ ন্যানোমিটার পুরু একটি কোয়ান্টাম উপাদান

সিউল ন্যাশনাল ইউনিভার্সিটির নেতৃত্বাধীন একটি গবেষক দল পরমাণু-পাতলা কাগোমি উপাদান তৈরি করেছে, যার নাম কাগোমিনে। দলটি জানিয়েছে, এতে ফ্ল্যাট ব্যান্ডে ইলেকট্রনের ঘনত্ব বিদ্যমান কৃত্রিম ব্যবস্থাগুলোর তুলনায় ২২০ গুণেরও বেশি। কৃত্রিম ব্যবস্থাগুলো তৈরি হয় পরমাণুর স্তর একটির ওপর আরেকটি বসিয়ে। প্রায় ০.৭ ন্যানোমিটার পুরু এই উপাদান বিজ্ঞানীদের এমন ইলেকট্রন নিয়ে গবেষণার নতুন সুযোগ দিচ্ছে, যাদের গতি চারপাশের পরমাণুর বিন্যাসের কারণে প্রবলভাবে বাধাগ্রস্ত হয়।

গবেষণার ফল ১৫ অক্টোবর ২০২৬ তারিখে নেচার ফিজিক্স সাময়িকীতে প্রকাশিত হয়। গবেষক দলে রয়েছেন সিউল ন্যাশনাল ইউনিভার্সিটির পদার্থবিজ্ঞান ও জ্যোতির্বিজ্ঞান বিভাগের মিন গু কাং, কোরিয়া অ্যাডভান্সড ইনস্টিটিউট অব সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজির গিল ইয়ং চো এবং পোহাং ইউনিভার্সিটি অব সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজির জে হুন পার্ক।

গবেষকেরা উপাদানটির অস্বাভাবিক ইলেকট্রনিক গঠন সরাসরি পরিমাপ করেছেন এবং বাহ্যিক ভোল্টেজ প্রয়োগ করে এর বৈদ্যুতিক অবস্থা পরিবর্তন করেছেন। তাঁদের দীর্ঘমেয়াদি লক্ষ্য হলো এমন কোয়ান্টাম যন্ত্র তৈরি করা, যা বর্তমানে এ-সম্পর্কিত পরীক্ষায় ব্যবহৃত তাপমাত্রার চেয়ে অনেক বেশি তাপমাত্রায় কাজ করতে পারে।

এই লক্ষ্য ঘিরে আলোচিত মূল সংখ্যাটি হলো ২৮০ কেলভিন, অর্থাৎ প্রায় ৬.৯ ডিগ্রি সেলসিয়াস। এই তাপমাত্রা হিমাঙ্কের ওপরে, তবে সাধারণ ঘরের তাপমাত্রার নিচে। উপাদানটির শক্তির মাত্রা থেকে এই হিসাব করা হয়েছে; এত তাপমাত্রায় অ্যানিয়ন এবং প্রস্তাবিত কোয়ান্টাম অবস্থা থাকতে পারে কি না, তা নিশ্চিত করতে এখনো পরীক্ষা প্রয়োজন।

প্রকাশিত গবেষণায় যা প্রতিষ্ঠিত হয়েছে

গবেষক দলের নেচার ফিজিক্সে প্রকাশিত প্রবন্ধে, যার শিরোনাম Monolayer van der Waals kagome lattice for high-temperature flat-band physics, A2T3X4 সংকেতে লেখা একগুচ্ছ যৌগের বর্ণনা রয়েছে। এই সংকেতে A বলতে ক্ষার ধাতু, T বলতে ট্রানজিশন ধাতু এবং X বলতে ক্যালকোজেন বোঝানো হয়েছে।

গবেষণায় এমন একটি আদর্শ দ্বিমাত্রিক কাগোমি জালিকার কথা জানানো হয়েছে, যা একক স্তর পর্যন্ত অটুট থাকে। এর ফ্ল্যাট ব্যান্ড ফার্মি স্তরের ঠিক নিচে অবস্থিত। ফার্মি স্তর হলো এমন একটি শক্তির মান, যা দিয়ে পদার্থবিদেরা কোন ইলেকট্রন অবস্থা পূর্ণ আছে তা বর্ণনা করেন। ভোল্টেজ প্রয়োগে ব্যান্ডটিকে ফার্মি স্তরে আনা যায়, ফলে গবেষকেরা এমন একটি অবস্থা পরীক্ষা করতে পারেন, যেখানে ফ্ল্যাট ব্যান্ড আংশিক পূর্ণ।

এই ফলাফল তিনটি ব্যবহারিক ধাপকে যুক্ত করেছে: পাতলা উপাদান তৈরি, এর অস্বাভাবিক বৈশিষ্ট্যের জন্য দায়ী ইলেকট্রনিক গঠন পরিমাপ এবং বৈদ্যুতিকভাবে সেই গঠন পরিবর্তন। একসঙ্গে এগুলো ইলেকট্রনগুলোর মধ্যে আরও শক্তিশালী পারস্পরিক ক্রিয়া অনুসন্ধানের পরীক্ষামূলক মঞ্চ তৈরি করেছে।

গুরুত্বপূর্ণ তারিখগুলো হলো:

• প্রায় ১৯৮০ সাল থেকে: কাগোমি ফ্ল্যাট ব্যান্ডের সঙ্গে যুক্ত ইলেকট্রনের অস্বাভাবিক আচরণ নিয়ে তাত্ত্বিক গবেষণা শুরু হয়।
• ১৫ অক্টোবর ২০২৬: গবেষণাটি নেচার ফিজিক্স-এ প্রকাশিত হয়।
• ২১ অক্টোবর ২০২৬: সিউল ন্যাশনাল ইউনিভার্সিটি গবেষক দলের ফলাফল ঘোষণা করে।

ত্রিভুজ ও ষড়ভুজ কীভাবে ইলেকট্রনের গতি কমায়

কাগোমিনে নামটি এসেছে কাগোমি নকশা থেকে, যা পরস্পর যুক্ত ত্রিভুজ ও ষড়ভুজের পুনরাবৃত্ত জালিকা। আরেকটি উপাদান গ্রাফিনও মাত্র এক পরমাণু পুরু হতে পারে; এতে কার্বন পরমাণুগুলো মৌচাকের মতো বিন্যাসে থাকে। কাগোমিনের ভিন্ন জ্যামিতি ইলেকট্রনের সম্ভাব্য আচরণের ধরনও বদলে দেয়।

কেলাসে ইলেকট্রন আংশিকভাবে তরঙ্গের মতো আচরণ করে। কাগোমি জালিকায় বিভিন্ন পথে চলা তরঙ্গ একে অন্যের সঙ্গে ব্যতিচার করে, ফলে চলাচল বাধাগ্রস্ত হয়। তাই এই জ্যামিতি ফ্ল্যাট ব্যান্ড তৈরি করতে সহায়তা করে। ফ্ল্যাট ব্যান্ড হলো এমন একগুচ্ছ অবস্থা, যেখানে ভরবেগ পরিবর্তনের সঙ্গে ইলেকট্রনের শক্তির খুব সামান্য পরিবর্তন হয়।

পদার্থবিদেরা এই আচরণকে কার্যকর ভর দিয়ে বর্ণনা করেন। কোনো উপাদানের ভেতরে ইলেকট্রন কীভাবে সাড়া দেয়, তা এই রাশি পরিমাপ করে; সেখানে চারপাশের পরমাণু ও অন্য ইলেকট্রন তার গতিকে প্রভাবিত করে। আদর্শ ফ্ল্যাট ব্যান্ডের কাছাকাছি কার্যকর ভর অত্যন্ত বড় হয়ে যায়; আদর্শ গাণিতিক বর্ণনায় তা অসীমে পৌঁছায়।

ইলেকট্রনের নিজস্ব ভর অপরিবর্তিত থাকে। তবে এই বিশেষ পারমাণবিক পরিবেশে তার সাড়া এমন কিছুর মতো, যাকে সরানো অত্যন্ত কঠিন। কাগোমিনেতে অসীম কার্যকর ভরের ইলেকট্রন আছে—এই বর্ণনার অর্থ এটাই।

একক স্তর তৈরির পথে গবেষক দল

কাগোমি নিয়ে আগের গবেষণার বেশির ভাগই অনেক পরমাণবিক স্তরবিশিষ্ট স্থূল উপাদানের ওপর কেন্দ্রীভূত ছিল। স্তরগুলোর পারস্পরিক সংযোগ এবং জটিল ইলেকট্রনিক গঠনের কারণে আদর্শ দ্বিমাত্রিক কাগোমি জালিকা থেকে প্রত্যাশিত আচরণ আলাদা করে দেখা কঠিন ছিল।

গবেষক দল ভ্যান ডার ওয়ালস উপাদানের একটি গুচ্ছ নিয়ে কাজ করেছে, যেগুলোর স্তর তুলনামূলক দুর্বল বলের মাধ্যমে একসঙ্গে থাকে। ফলে পুরু কেলাস থেকে অতি পাতলা স্তর আলাদা করা যায়। তাঁদের তৈরি একক স্তরটি প্রায় ০.৭ ন্যানোমিটার পুরু, যা এক মিটারের একশ কোটি ভাগেরও কম।

ইলেকট্রন পরীক্ষা করতে গবেষকেরা যুক্তরাষ্ট্র ও যুক্তরাজ্যের সিনক্রোট্রন কেন্দ্র ব্যবহার করেন এবং ন্যানোফোকাসড অ্যাঙ্গেল-রিজলভড ফটোইমিশন স্পেকট্রোস্কপি বা ন্যানো-এআরপিইএস নামের একটি কৌশল প্রয়োগ করেন। আলো নমুনা থেকে ইলেকট্রন বের করে আনে, আর তাদের শক্তি ও দিক পরিমাপ করে উপাদানটির ইলেকট্রনিক গঠন জানা যায়।

আলোর ক্ষুদ্র বিন্দু এই পদ্ধতিকে অতি ক্ষুদ্র পাত পরীক্ষা করার জন্য উপযোগী করে তোলে। পরিমাপে দেখা গেছে, একক স্তরের সীমাতেও কাগোমি ফ্ল্যাট ব্যান্ডটি টিকে থাকে। এই ফল তাত্ত্বিক জালিকার নকশাকে এমন একটি উপাদানে রূপ দিয়েছে, যা সরাসরি বৈদ্যুতিকভাবে নিয়ন্ত্রণ করার মতো পাতলা।

ভোল্টেজে উপাদান নিয়ন্ত্রণের সুযোগ

বাহ্যিক ভোল্টেজ গবেষকদের পারমাণবিক বিন্যাসের বাইরেও একটি নিয়ন্ত্রণের উপায় দিয়েছে। তড়িৎস্থির গেটিংয়ের মাধ্যমে তাঁরা ইলেকট্রনিক অবস্থা পরিবর্তন করে ফ্ল্যাট ব্যান্ডটিকে ফার্মি স্তরে আনতে পেরেছেন।

আংশিক পূর্ণ ফ্ল্যাট ব্যান্ড বিশেষভাবে কার্যকর, কারণ এতে ইলেকট্রনগুলো পুনর্বিন্যাসের সুযোগ পায়, যদিও তাদের স্বাভাবিক চলাচলের স্বাধীনতা সীমিত। এমন অবস্থায় উপাদানটির আচরণ নির্ধারণে ইলেকট্রনগুলোর পারস্পরিক ক্রিয়া আরও বড় ভূমিকা রাখতে পারে।

গবেষক দল অন্তরক অবস্থা থেকে ধাতব অবস্থায় রূপান্তর দেখেছে; অন্তরক অবস্থায় বিদ্যুৎ সহজে প্রবাহিত হয় না। ভোল্টেজ আরও পরিবর্তন করলে আরেকটি অন্তরক অবস্থা তৈরি হয়। গবেষকদের ধারণা, ইলেকট্রনগুলোর পারস্পরিক ক্রিয়া সদ্য পর্যবেক্ষিত অন্তরক আচরণের ব্যাখ্যায় সহায়তা করতে পারে। তবে এর সুনির্দিষ্ট কারণ জানতে আরও গবেষণা প্রয়োজন।

ভবিষ্যৎ যন্ত্রের জন্য বৈদ্যুতিক নিয়ন্ত্রণের একটি ব্যবহারিক সুবিধা আছে: ভোল্টেজ বদলে বিজ্ঞানীরা একই উপাদানে একাধিক ইলেকট্রনিক অবস্থা পরীক্ষা করতে পারেন। প্রতিটি অবস্থার জন্য আলাদা যৌগ তৈরি না করেই কার্যকর কোয়ান্টাম আচরণ খোঁজার সুযোগ এটি দেয়।

ইলেকট্রনের ঘনত্ব কেন গুরুত্বপূর্ণ

তুলনার জন্য ব্যবহৃত বিদ্যমান কৃত্রিম ফ্ল্যাট ব্যান্ড ব্যবস্থাগুলোর তুলনায় কাগোমিনের ফ্ল্যাট ব্যান্ডে ইলেকট্রনের ঘনত্ব ২২০ গুণেরও বেশি। এসব ব্যবস্থা মোয়ারে নকশা ব্যবহার করে, যা পাতলা পরমাণবিক স্তর সামান্য ঘুরিয়ে বা অমিল রেখে একটির ওপর আরেকটি বসালে তৈরি হয়।

মোয়ারে নকশা একটি বড় পুনরাবৃত্ত কাঠামো তৈরি করে, যা ইলেকট্রনের গতি বদলে দিতে পারে। অন্যদিকে কাগোমিনে তার নিজস্ব পারমাণবিক জালিকা থেকেই ফ্ল্যাট ব্যান্ড পায়। ভিত্তিগত নকশাটি অনেক ছোট হওয়ায় ফ্ল্যাট ব্যান্ডের ইলেকট্রন আরও ঘনভাবে বিন্যস্ত হতে পারে।

ইলেকট্রনের গতি বাধাগ্রস্ত হলে তাদের পারস্পরিক বল চলাচলের তুলনায় বেশি গুরুত্বপূর্ণ হয়ে ওঠে। গবেষকদের মতে, এই উচ্চ ঘনত্ব বড় বৈশিষ্ট্যগত শক্তির সমষ্টিগত কোয়ান্টাম অবস্থা তৈরির পথ দেখায়, যা তাপের প্রভাবে বিঘ্নিত হওয়ার বিরুদ্ধে বেশি প্রতিরোধী হতে পারে।

এই তুলনাটি নির্দিষ্ট: এতে আলোচিত ব্যবস্থাগুলোর ফ্ল্যাট ব্যান্ডে থাকা ইলেকট্রনদেরই বিবেচনা করা হয়েছে। এর ব্যবহারিক তাৎপর্য হলো, কাগোমিনে ঘন ইলেকট্রনিক পরিবেশের সঙ্গে একক স্তরের গঠন ও ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণের সুবিধা একত্র করেছে। ফলে একটি পরীক্ষামূলক মঞ্চেই বেশ কয়েকটি উপযোগী বৈশিষ্ট্য পাওয়া যাচ্ছে।

২৮০ কেলভিনের পূর্বাভাস বোঝা

গবেষক দলের তাত্ত্বিক বিশ্লেষণে ভগ্নাংশীয় কোয়ান্টাম অ্যানোমালাস হল অবস্থা বিবেচনা করা হয়েছে। এটি এমন এক অস্বাভাবিক সমষ্টিগত ইলেকট্রনিক অবস্থা, যা উপাদানের এক পাশে ভগ্নাংশীয় বৈদ্যুতিক সাড়ার সঙ্গে যুক্ত। এ ধরনের অবস্থা আগ্রহের বিষয়, কারণ এগুলো অ্যানিয়ন নামের বিচিত্র উত্তেজনা সমর্থন করতে পারে।

হিসাব করা শক্তি ব্যবধান ছিল প্রায় ১৪ থেকে ২৯ মিলিইলেকট্রনভোল্ট; তুলনার জন্য ব্যবহৃত মোয়ারে উপাদানগুলোতে তা প্রায় ১ থেকে ৫ মিলিইলেকট্রনভোল্ট। শক্তি ব্যবধান হলো কোয়ান্টাম অবস্থা থেকে নির্দিষ্ট উত্তেজনা তৈরি করতে প্রয়োজনীয় শক্তি। ব্যবধান বড় হলে তাপের বিঘ্ন থেকে অবস্থা রক্ষা করা সহজ হতে পারে।

এই ক্ষুদ্র শক্তিমানকে তাপীয় শক্তির মাত্রার সঙ্গে তুলনা করেই তাপমাত্রার পূর্বাভাস দেওয়া হয়েছে। কাং ব্যাখ্যা করেছেন, এই হিসাব থেকেই প্রায় ২৮০ কেলভিন পর্যন্ত পৌঁছানোর অনুমানটি এসেছে। উপাদান গরম হলে সমষ্টিগত অবস্থাটি বাস্তবে কীভাবে আচরণ করে, তা পরীক্ষা করেই কার্যকর তাপমাত্রা নির্ধারণ করতে হবে।

মূল তুলনায় আগের অ্যানিয়ন প্রদর্শনগুলোর তাপমাত্রা ছিল ২.৫ কেলভিন বা তার নিচে, অর্থাৎ প্রায় মাইনাস ২৭০.৭ ডিগ্রি সেলসিয়াস। ২৮০ কেলভিনে পৌঁছানো সেই অবস্থার তুলনায় বিপুল অগ্রগতি হবে। এখনকার গবেষণার কাজ হলো প্রতিশ্রুতিশীল হিসাব করা শক্তি ব্যবধানকে পরিমাপযোগ্য কোয়ান্টাম আচরণের সঙ্গে যুক্ত করা।

কোয়ান্টাম কম্পিউটিংয়ে অ্যানিয়নের সম্ভাবনা

অ্যানিয়ন হলো কোয়াসিপার্টিকল বা অর্ধকণা: কোনো উপাদানে সমষ্টিগতভাবে সৃষ্ট এমন বিঘ্ন, যা কণার মতো আচরণ করে। নির্দিষ্ট কিছু দ্বিমাত্রিক ইলেকট্রনিক ব্যবস্থায় এদের দেখা দিতে পারে, যেখানে এদের আচরণ ইলেকট্রনের মতো পরিচিত কণার থেকে আলাদা।

কিছু ধরনের অ্যানিয়ন টপোলজিক্যাল কোয়ান্টাম কম্পিউটিংয়ের সম্ভাব্য উপাদান। এ পদ্ধতিতে উত্তেজনাগুলো কীভাবে বিন্যস্ত ও বিনিময় হয়, তার সঙ্গে যুক্ত সমষ্টিগত বৈশিষ্ট্যে তথ্য সংরক্ষণ করা যায়। এর সুবিধা হলো, কিছু স্থানীয় বিঘ্নের পক্ষে সংরক্ষিত তথ্য নষ্ট করা কঠিন হতে পারে।

কাং উপযুক্ত উপাদান খুঁজে পাওয়াকে এই পদ্ধতি বিকাশের বড় বাধা হিসেবে উল্লেখ করেছেন। কাগোমিনে গবেষকদের জন্য নতুন একটি সম্ভাব্য উপাদান এনে দিয়েছে, যেখানে তাঁরা ইলেকট্রনের সংখ্যা পরিবর্তন করে প্রাসঙ্গিক সমষ্টিগত অবস্থা তৈরির প্রয়োজনীয় শর্ত অনুসন্ধান করতে পারবেন।

কার্যকর কোয়ান্টাম কম্পিউটার তৈরিতে শুধু সম্ভাবনাময় একটি মূল উপাদান থাকলেই চলবে না। গবেষকদের উপযুক্ত উত্তেজনা তৈরি, নিয়ন্ত্রণ ও সেখান থেকে তথ্য পাঠোদ্ধার করতে হবে, পাশাপাশি ত্রুটিও সামলাতে হবে। গবেষক দলের ঘোষিত পরবর্তী পদক্ষেপ হলো কাগোমিনেভিত্তিক কোয়ান্টাম যন্ত্র তৈরি এবং কক্ষ তাপমাত্রায় গুরুত্বপূর্ণ কোয়ান্টাম ঘটনা ও প্রযুক্তি নিয়ে কাজ করা।

মূল বিষয়গুলো

• গবেষক দল প্রায় ০.৭ ন্যানোমিটার পুরু কাগোমিনে তৈরি করেছে এবং এর ফ্ল্যাট ইলেকট্রনিক ব্যান্ড সরাসরি পরিমাপ করেছে।
• গবেষণাটি ১৫ অক্টোবর ২০২৬ তারিখে নেচার ফিজিক্স-এ প্রকাশিত হয়েছে।
• তুলনার জন্য ব্যবহৃত বিদ্যমান মোয়ারে ব্যবস্থাগুলোর চেয়ে উপাদানটির ফ্ল্যাট ব্যান্ডে ইলেকট্রনের ঘনত্ব ২২০ গুণেরও বেশি।
• বাহ্যিক ভোল্টেজ উপাদানটিকে অন্তরক ও ধাতব অবস্থার মধ্যে পরিবর্তন করেছে এবং ফ্ল্যাট ব্যান্ডকে ফার্মি স্তরে এনেছে।
• হিসাবে প্রস্তাবিত কোয়ান্টাম অবস্থার শক্তি ব্যবধান ১৪ থেকে ২৯ মিলিইলেকট্রনভোল্ট পাওয়া গেছে, যা তুলনার সীমা ১ থেকে ৫ মিলিইলেকট্রনভোল্টের চেয়ে বেশি।
• ২৮০ কেলভিন প্রায় ৬.৯ ডিগ্রি সেলসিয়াসের সমান। আরও বেশি তাপমাত্রায় প্রস্তাবিত অবস্থাগুলো প্রদর্শন করা ভবিষ্যৎ পরীক্ষার লক্ষ্য।