ایک بڑی سائنسی پیشرفت میں ، محققین نے ٹھوس مادوں میں حرارت کی نقل و حمل کا ایک غیر معمولی طریقہ کار دریافت کیا ہے جو بنیادی طور پر ہماری سمجھ کو نئی شکل دیتا ہے کہ مقامی خرابی (لوک ڈس آرڈر) کے ساتھ کرسٹل مواد میں گرمی کیسے بہتی ہے ۔ اس کا اثر اگلی نسل کے تھرمو الیکٹرکس اور تھرمل مینجمنٹ ٹیکنالوجیز پر پڑ سکتا ہے ۔

ٹھوسوں میں حرارت عام طور پر فونون کے ذریعے لے جایا جاتا ہے ، جو عام طور پر ایسے ذرات کی طرح برتاؤ کرتے ہیں جو کرسٹل جالی سے گزرتے ہوئے بکھرے ہوئے ہوتے ہیں ۔ یہ کلاسیکی "فونون گیس" تصویر کئی دہائیوں سے مواد کے ڈیزائن کی رہنمائی کرتی رہی ہے ۔

محکمہ سائنس و ٹیکنالوجی (ڈی ایس ٹی) کے ایک خود مختار ادارے جواہر لال نہرو سینٹر فار ایڈوانسڈ سائنٹفک ریسرچ (جے این سی اے ایس آر) بنگلورو کے محققین نے اب ایک غیر معمولی تبدیلی کا مظاہرہ کیا ہے جس میں فونون ذرات کی طرح برتاؤ کرنا بند کر دیتے ہیں اور اس کے بجائے لہر جیسی ہم آہنگی کے ذریعے پھیلتے ہیں ، مقامی کمپن والی حالتوں کے درمیان سرنگ بناتے ہیں ۔ یہ ذرہ سے لہر جیسا کراس اوور ایک نئے مطالعہ شدہ مواد میں مشاہدہ کیا گیا تھا جو ایک صفر جہتی غیر نامیاتی دھاتی ہالائڈ ، ٹی 12 اے جی آئی 3 ہے ۔

نیو کیمسٹری یونٹ (این سی یو) جے این سی اے ایس آر  کے   پروفیسر کنشک بسواس کی سربراہی میں ، معروف جریدے ، پروسیڈنگز آف نیشنل اکیڈمی آف سائنسز ، یو ایس اے (پی این اے ایس) میں شائع ہوئے اس کام میں ،  اس مواد میں تقریبا 0.18 ڈبلیو/ ایم  ڈاٹ کے کی غیر معمولی کم جالی تھرمل کنڈکٹی ویٹی ظاہر ہوتی ہے ۔ قابل ذکر بات یہ ہے کہ عام کرسٹل کے لیے متوقع درجہ حرارت کے ساتھ مسلسل کم ہونے کے بجائے ، تھرمل کنڈکٹی ویٹی تقریبا  کے 125 سے اوپر درجہ حرارت سے آزاد ہو جاتی ہے ، جو روایتی فونون گیس ماڈل کے ٹوٹنے کا اشارہ ہے ۔

اس دریافت کے مرکز میں ٹی 12 اے جی آئی 3 کی منفرد کرسٹل کیمسٹری ہے ۔ یہ ڈھانچہ ایک توسیعی تین جہتی نیٹ ورک کے بجائے مجرد ، کلسٹر جیسے بلڈنگ بلاکس پر مشتمل ہے ۔ تقریبا ایک صدی قبل ، نوبل انعام یافتہ لینس پالنگ نے جوہری ترتیب کو ساختی استحکام سے جوڑنے والے اصولوں کے ایک سیٹ کے ذریعے جدید کرسٹل کیمسٹری کی بنیادیں رکھی تھیں ۔ پالنگ کے تیسرے اصول سے تحریک لیتے ہوئے ، (جس میں کہا گیا ہے کہ کرسٹل ڈھانچے کے اندر کوآرڈینیشن پولی ہیڈرا کے درمیان کناروں یا چہروں کا اشتراک کیشن-کیشن  ری پلشن کو بڑھاتا ہے) مصنفین نے اندازہ لگایا کہ گھنے جڑے ہوئے کوآرڈینیشن یونٹوں کے اندر مضبوط کیشن-کیشن  ری پلشن مقامی طور پر جالی کو غیر مستحکم کر سکتی ہے ۔

اس خیال کی رہنمائی میں ، انہوں نے تجرباتی طور پر چاندی کے ایٹموں کی واضح لوکل ڈیسٹرشن کو بے نقاب کیا ، جس کی وجہ سے کیمیائی بند مثالی ہارمونک حرکت (اینہارمونک) سے نمایاں طور پر ہٹ جاتے ہیں ۔ یہ انتہائی ہم آہنگی ڈرامائی طور پر ذرہ نما فونون بکھرنے میں اضافہ کرتی ہے ، اس حد تک کہ روایتی فونون کی نقل و حمل ختم ہو جاتی ہے ۔ براہ راست نتیجہ کے طور پر ، حرارت لہر جیسی ہم آہنگی کے ذریعے پھیلنا شروع ہو جاتی ہے ، فونون اچھی طرح سے متعین ذرات کو حرکت دینے کے بجائے مقامی کمپن والی حالتوں کے درمیان سرنگ بناتے ہیں ۔ اسی وقت ، اس  دریافت کی اہمیت پر تبصرہ کرتے ہوئے پروفیسر کنشک ا بسواس نے کہا ، "ٹی ایل 2 اے جی آئی 3 ایک ایسے مواد کی ایک نایاب مثال ہے جو بیک وقت کرسٹل اور شیشے کی طرح برتاؤ کرتا ہے ۔ یہ طویل فاصلے تک کرسٹل لائن ترتیب کو برقرار رکھتا ہے ، پھر بھی فونون لوکلائزیشن اور لہر جیسی ہم آہنگی کی وجہ سے شیشے کی طرح گرمی کو چلاتا ہے۔

شکل 1 : یہ اسکیمیٹک اس تحقیق کے اہم نتائج کو ظاہر کرتا ہے کہ کیسے ٹی 12 اے جی آئی 3 میں درجہ حرارت کے ساتھ حرارت کی نقل و حمل کیسے تبدیل ہوتی ہے ۔ یہاں ، ایل پی ایچ وہ اوسط فاصلہ ہے جو ایک فونون بکھرے ہونے سے پہلے طے کرتا ہے ، اور اے اے وی ایٹموں کے درمیان اوسط فاصلہ ہے ۔ کم درجہ حرارت پر ، ایل پی ایچ اے اے وی ، لہذا حرارت ایک ترتیب شدہ کرسٹل کے ذریعے ذرات کی طرح حرکت کرنے والے فونون کے ذریعے لے جایا جاتا ہے ۔ جیسے جیسے درجہ حرارت بڑھتا ہے ، پالنگ کا تیسرا قاعدہ ثالثی کیشن - کیشن ری پلشن مقامی ساختی مسخ کو جنم دیتا ہے ، جس کی وجہ سے مضبوط جالی کی ہم آہنگی پیدا ہوتی ہے۔ یہ ایل پی ایچ کو کم کرتا ہے تاکہ ایل پی ایچ <اے اے وی ، جس کی وجہ سے کراس اوور لہر کی طرح فونون ٹرانسپورٹ کا باعث بنتا ہے ۔

جدید ترین سنکروٹرون ایکس رے جوڑی، تقسیم فنکشن کی پیمائش ، کم درجہ حرارت والے تھرمل ٹرانسپورٹ تجربات ، رمن اسپیکٹروسکوپی  اور اعلی درجے کے پہلے اصولوں کے نظریاتی حساب کو یکجا کرکے ، ٹیم نے اس رجحان کی ایک جامع تصویر فراہم کی ۔ اہم بات یہ ہے کہ انہوں نے جے این سی اے ایس آر میں پروفیسر سوپن کے پتی کے گروپ کی طرف سے تیار کردہ ایک حال ہی میں تیار کردہ مساوات (لکیریائزڈ وگنر ٹرانسپورٹ مساوات) کا استعمال کیا ، تاکہ یہ فرق کیا جا سکے کہ آیا حرارت آزاد ذرہ نما بکھرنے سے بہتی ہے یا لہر جیسی شراکت سے ۔ ان کے تجزیے سے پتہ چلتا ہے کہ ، جیسے جیسے درجہ حرارت بڑھتا ہے ، ہم آہنگی سے چلنے والی لہر جیسی نقل و حمل کے  175 کے آس پاس ذرہ پر مبنی نقل و حمل سے آگے نکل جاتی ہے ۔

پروفیسر بسواس نے مزید کہا کہ "یہ ایک ایسے تصور کا ایک نادر تجرباتی ادراک ہے جو بڑی حد تک نظریاتی تھا" ۔ "ہم یہ ظاہر کرتے ہیں کہ کرسٹل ٹھوسوں کو گرمی لے جانے کے طریقے میں سختی سے ذرہ نما فونون بکھرنے کی ضرورت نہیں ہے ۔ اس کے بجائے ، وہ ایک مخلوط نظام تک رسائی حاصل کر سکتے ہیں جہاں لہر جیسی ہم آہنگی غالب ہوتی ہے ، جس کی وجہ سے الٹرا لو اور شیشے کی تھرمل  کنڈکٹی ویٹی ہوتی ہے ۔

تجرباتی کام کی قیادت پہلے مصنف ڈاکٹر ردھیموئے پاٹھک نے کی ، جو پروفیسر بسواس کے پی ایچ ڈی کے طالب علم تھے ، جنہوں نے ترکیب ، ساختی خصوصیت ، اور تھرمل ٹرانسپورٹ کی پیمائش کی ۔ مطالعہ میں ایک مشترکہ پہلے مصنف ، جناب سیان پال ہیں ، جو تھیوریٹیکل سائنسز یونٹ (ٹی ایس یو) جے این سی اے ایس آر کے پروفیسر سوپن کے پتی کے گروپ سے ہیں ، جو فونون کی ہم آہنگی اور لہر جیسی حرارت کی نقل و حمل کے بارے میں اہم نظریاتی بصیرت فراہم کرتے ہیں ۔

تھرمل مینجمنٹ ٹیکنالوجیز میں مضمرات کے ساتھ دریافت ایک نئی ڈیزائن حکمت عملی قائم کرتی ہے: کیمیائی قوانین اور مقامی جالی کے عدم استحکام کا استعمال کرتے ہوئے کرسٹل ٹھوسوں میں فونون لوکلائزیشن اور ہم آہنگی کو انجینئر کرنا ۔

اس تحقیق کو India@DESY پروگرام کے تحت قومی سپر کمپیوٹنگ وسائل اور بین الاقوامی سنکروٹرون سہولیات سے فائدہ ہوا ۔

یہ کامیابی بنیادی مواد کی تحقیق میں ہندوستان کی بڑھتی ہوئی قیادت کی نشاندہی کرتی ہے اور اس بات پر روشنی ڈالتی ہے کہ کس طرح گہری کیمیائی بصیرت ، جدید تجرباتی اور نظریاتی آلات کے ساتھ مل کر ، مضبوط تکنیکی مطابقت کے ساتھ مکمل طور پر  نئے فزیکل ری جیم کو بے نقاب کر سکتی ہے ۔

شکل 2: مصنفین-ڈاکٹر ردھیموئے پاٹھک (بائیں) اور پروفیسر کنشک بسواس (دائیں(

اشاعت کا لنک: https://www.pnas.org/doi/ 10.1073/pnas. 2521353123 ؛

https://doi.org/10.1073/pnas.2521353123)

 

*****

(ش ح ۔ م م۔ ت ح)

U. No. : 2388

(ریلیز آئی ڈی: 2227819) وزیٹر کاؤنٹر : 4