মিশিগান বিশ্ববিদ্যালয়ের এক সমীক্ষায় দেখা গেছে, স্ফটিক এবং কাচের মধ্যে একটি বিরল এবং বিস্ময়কর মধ্যবর্তী পরমাণুর সংমিশ্রণের জন্য সবচেয়ে স্থিতিশীল ব্যবস্থা হতে পারে।
অনুসন্ধানগুলি ক্যাসিক্রাইস্টালগুলির প্রথম কোয়ান্টাম-মেকানিকাল সিমুলেশনগুলি থেকে এসেছে-এমন এক ধরণের কঠিন যা বিজ্ঞানীরা একবার ভেবেছিলেন যে অস্তিত্ব থাকতে পারে না। যদিও ক্যাসিক্রাইস্টালগুলির পরমাণুগুলি একটি জালিতে সাজানো হয়, যেমন একটি স্ফটিকের মতো, পরমাণুর প্যাটার্নটি প্রচলিত স্ফটিকগুলির মতো পুনরাবৃত্তি করে না। নতুন সিমুলেশন পদ্ধতিটি ক্যাসিক্রাইস্টালগুলি – স্ফটিকগুলির মতো – মৌলিকভাবে স্থিতিশীল উপকরণগুলি, যা কাচের মতো বিশৃঙ্খলাবদ্ধ সলিডগুলির সাথে তাদের মিল রয়েছে যা দ্রুত গরম এবং শীতল হওয়ার ফলস্বরূপ গঠন করে।
“আমরা যদি পছন্দসই সম্পত্তিগুলির সাথে উপকরণগুলি ডিজাইন করতে চাই তবে কীভাবে নির্দিষ্ট কাঠামোতে পরমাণুগুলি সাজানো যায় তা আমাদের জানতে হবে,” ডু আর্লি কেরিয়ারের উপকরণ বিজ্ঞান ও প্রকৌশল বিভাগের সহকারী অধ্যাপক ওয়েনহো সান বলেছেন, এবং প্রাকৃতিক পদার্থবিজ্ঞানে আজ প্রকাশিত কাগজের সংশ্লিষ্ট লেখক। “কোয়াসিক্রাইস্টালগুলি আমাদের কীভাবে এবং কেন কিছু উপকরণ তৈরি করতে পারে তা নিয়ে পুনর্বিবেচনা করতে বাধ্য করেছে। আমাদের অধ্যয়ন না হওয়া পর্যন্ত বিজ্ঞানীদের কাছে কেন তাদের অস্তিত্ব ছিল তা অস্পষ্ট ছিল।”
১৯৮৪ সালে ইস্রায়েলি বিজ্ঞানী ড্যানিয়েল শেচটম্যান যখন প্রথম বর্ণনা করেছিলেন তখন ক্যাসিক্রিস্টালগুলি পদার্থবিজ্ঞানের প্রতিহত হয়েছিল বলে মনে হয়েছিল। অ্যালুমিনিয়াম এবং ম্যাঙ্গানিজের অ্যালোগুলির সাথে পরীক্ষা-নিরীক্ষা করার সময় শেচটম্যান বুঝতে পেরেছিলেন যে কিছু ধাতব পরমাণু তাদের মুখের সাথে মিলিত হয়ে অনেক 20-পার্শ্বযুক্ত ডাইসে সাজানো হয়েছিল। এই আকারটি উপাদানটিকে পাঁচগুণ প্রতিসাম্য দিয়েছে-পাঁচটি পৃথক ভ্যানটেজ পয়েন্ট থেকে অভিন্ন।
সেই সময় বিজ্ঞানীরা ভেবেছিলেন যে স্ফটিকের অভ্যন্তরের পরমাণুগুলি কেবল প্রতিটি দিকের পুনরাবৃত্তি ক্রমগুলিতে সাজানো যেতে পারে, তবে পাঁচগুণ প্রতিসাম্য এই জাতীয় নিদর্শনগুলিকে বাতিল করে দেয়। শেচটম্যান প্রাথমিকভাবে অসম্ভবকে পরামর্শ দেওয়ার জন্য তীব্র তদন্তের মুখোমুখি হয়েছিল, তবে অন্যান্য ল্যাবগুলি পরে তাদের নিজস্ব কোয়াসিক্রাইস্টাল তৈরি করেছিল এবং তাদের বিলিয়ন বছর বয়সী উল্কাগুলিতে খুঁজে পেয়েছিল।
শেচটম্যান শেষ পর্যন্ত তার আবিষ্কারের জন্য ২০১১ সালে রসায়নে নোবেল পুরষ্কার অর্জন করেছিলেন, তবে বিজ্ঞানীরা এখনও ক্যাসিক্রাইস্টালগুলি কীভাবে গঠন করেছিলেন সে সম্পর্কে মৌলিক প্রশ্নের উত্তর দিতে পারেননি। রোডব্লকটি ছিল ঘনত্ব-কার্যকরী তত্ত্ব-একটি স্ফটিকের স্থিতিশীলতা গণনা করার জন্য কোয়ান্টাম-মেকানিকাল পদ্ধতি-এমন নিদর্শনগুলির উপর নির্ভর করে যা একটি অনুক্রমের মধ্যে অসীম পুনরাবৃত্তি করে, যা কোয়াসিক্রিস্টালগুলির অভাব রয়েছে।
“কোনও উপাদান বোঝার প্রথম পদক্ষেপটি কী এটি স্থিতিশীল করে তোলে তা জেনে রাখা, তবে ক্যাসিক্রাইস্টালগুলি কীভাবে স্থিতিশীল হয়েছিল তা বলা শক্ত ছিল,” উপকরণ বিজ্ঞান ও প্রকৌশল ও গবেষণার প্রথম লেখক উওহিয়ন বাইক বলেছেন।
প্রদত্ত যে কোনও উপাদানের পরমাণু সাধারণত স্ফটিকগুলিতে ব্যবস্থা করে যাতে রাসায়নিক বন্ডগুলি সর্বনিম্ন সম্ভাব্য শক্তি অর্জন করে। বিজ্ঞানীরা এই জাতীয় কাঠামোকে এনথ্যালপি-স্থিতিশীল স্ফটিক বলে। তবে অন্যান্য উপকরণগুলি তৈরি হয় কারণ তাদের উচ্চ এনট্রপি রয়েছে, যার অর্থ এর পরমাণুগুলি সাজানোর বা কম্পন করার জন্য বিভিন্ন উপায় রয়েছে।
গ্লাস একটি এন্ট্রপি-স্থিতিশীল শক্তির একটি উদাহরণ। গলে যাওয়া সিলিকা দ্রুত শীতল হয়ে গেলে এটি তৈরি হয়, পরমাণুগুলিকে একটি প্যাটার্নহীন আকারে ফ্রিজ করে। তবে যদি শীতল হারগুলি ধীর হয় বা উত্তপ্ত সিলিকাতে একটি বেস যুক্ত করা হয় তবে পরমাণুগুলি কোয়ার্টজ স্ফটিকগুলিতে সাজিয়ে তুলতে পারে – ঘরের তাপমাত্রায় পছন্দসই, সর্বনিম্ন শক্তি অবস্থা। কোয়াসিক্রাইস্টালগুলি গ্লাস এবং স্ফটিকের মধ্যে একটি চমকপ্রদ মধ্যবর্তী। তারা স্থানীয়ভাবে স্ফটিকগুলির মতো পারমাণবিক ব্যবস্থা অর্ডার করেছে, তবে কাচের মতো তারা দীর্ঘ-পরিসীমা, পুনরাবৃত্তি নিদর্শনগুলি গঠন করে না।
কোয়াসিক্রাইস্টালগুলি এনথ্যালপি- বা এনট্রপি-স্থিতিশীল কিনা তা নির্ধারণ করার জন্য, গবেষকের পদ্ধতিটি কোয়াসক্রিস্টালের বৃহত্তর সিমুলেটেড ব্লক থেকে ছোট ন্যানো পার্টিকেলগুলি সরিয়ে দেয়। গবেষকরা তারপরে প্রতিটি ন্যানো পার্টিকেলের মোট শক্তি গণনা করেন, যার জন্য অসীম ক্রমের প্রয়োজন হয় না কারণ কণা সীমানা সংজ্ঞায়িত করেছে।
যেহেতু একটি ন্যানো পার্টিকেলের শক্তি তার ভলিউম এবং পৃষ্ঠের ক্ষেত্রের সাথে সম্পর্কিত, তাই ক্রমবর্ধমান আকারের ন্যানো পার্টিকেলগুলির জন্য গণনাগুলি পুনরাবৃত্তি করা গবেষকদের কোয়াসিক্রিস্টালের বৃহত্তর ব্লকের অভ্যন্তরে মোট শক্তিটি বহির্মুখী করতে দেয়। এই পদ্ধতির সাহায্যে গবেষকরা আবিষ্কার করেছেন যে দুটি সু-অধ্যয়নকৃত কোয়াসিক্রিস্টালগুলি এনথ্যালপি-স্থিতিশীল। একটি হ’ল স্ক্যান্ডিয়াম এবং জিংকের একটি মিশ্রণ, অন্যটি ইটারবিয়াম এবং ক্যাডমিয়ামের।
ক্যাসিক্রিস্টাল শক্তির সর্বাধিক সঠিক অনুমানের জন্য সম্ভাব্য বৃহত্তম কণাগুলির প্রয়োজন, তবে ন্যানো পার্টিকেলগুলি স্কেল করা স্ট্যান্ডার্ড অ্যালগরিদমগুলির সাথে কঠিন। কেবল কয়েকশো পরমাণু সহ ন্যানো পার্টিকেলগুলির জন্য, পরমাণু দ্বিগুণ করা কম্পিউটিংয়ের সময় আটগুণ বাড়িয়ে তোলে। তবে গবেষকরা কম্পিউটিং বাধাগুলির জন্যও একটি সমাধান খুঁজে পেয়েছিলেন।
“প্রচলিত অ্যালগরিদমগুলিতে, প্রতিটি কম্পিউটার প্রসেসরের একে অপরের সাথে যোগাযোগ করা দরকার, তবে আমাদের অ্যালগরিদমটি 100 গুণ বেশি দ্রুততর হয় কারণ কেবল প্রতিবেশী প্রসেসররা যোগাযোগ করেন এবং আমরা কার্যকরভাবে সুপার কম্পিউটারগুলিতে জিপিইউ ত্বরণ ব্যবহার করি,” স্টাডি সহ-লেখক ভিকরাম গাভিনি, যান্ত্রিক প্রকৌশল ও উপকরণ বিজ্ঞান ও প্রকৌশল ও প্রকৌশল ও প্রকৌশল ও প্রকৌশল ও প্রকৌশলীর একজন প্রফেসর বলেছেন।
“আমরা এখন গ্লাস এবং নিরাকার উপকরণ, বিভিন্ন স্ফটিকের মধ্যে ইন্টারফেসের পাশাপাশি স্ফটিক ত্রুটিগুলি অনুকরণ করতে পারি যা কোয়ান্টাম কম্পিউটিং বিট সক্ষম করতে পারে।”
গবেষণাটি মার্কিন জ্বালানি বিভাগ দ্বারা অর্থায়িত হয় এবং টেক্সাস বিশ্ববিদ্যালয়, লরেন্স বার্কলে জাতীয় পরীক্ষাগার এবং ওক রিজ জাতীয় পরীক্ষাগারটিতে রাখা কম্পিউটিং রিসোর্সের উপর নির্ভর করে।