6.11 অতিচালকত্ব ও জোসেফসন প্রভাব

সূচিপত্র ／ অধ্যায় 6: কোয়ান্টাম ক্ষেত্র

I. ঘটনা ও মূল প্রশ্নগুলো

কিছু ধাতু বা সিরামিক যথেষ্ট নিচু তাপমাত্রায় নামালে তাদের বৈদ্যুতিক রোধ পরিমাপ-অযোগ্য পর্যায়ে নেমে যায়, এবং একটি বন্ধ বৃত্তে প্রবাহ বহু বছর ক্ষয় ছাড়াই চলতে থাকে। বস্তুর অভ্যন্তর থেকে বাহ্যিক চৌম্বকক্ষেত্র প্রতিহত হয়; কেবল বিশেষ পরিস্থিতিতে অত্যন্ত সূক্ষ্ম চৌম্বক-ফ্লাক্স নল আকারে অভ্যন্তরে ঢুকতে পারে। দুটি অতিচালকের মাঝখানে অতি-পতলা নিরোধক স্তর বসালে, কোনো ভোল্টেজ না দিলেও স্থির সু-প্রবাহ চলতে পারে; উপরন্তু রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি (RF) আলো ফেলা হলে ভোল্টেজ ধাপে ধাপে লক হয়ে স্পষ্ট সোপান দেখায়।

এসবই অতিচালকত্ব ও জোসেফসন প্রভাবের চিহ্ন: শূন্য রোধ, পূর্ণ চৌম্বক-প্রতিহতি (বা কোয়ান্টাম-ফ্লাক্স নলের মাধ্যমে আংশিক অনুপ্রবেশ), শূন্য-ভোল্টেজ সু-প্রবাহ, এবং RF-প্রসূত ধাপাকৃতি ভোল্টেজ। প্রশ্ন হলো: ঠান্ডা হলেই প্রবাহের “ঘর্ষণ” হঠাৎ কেন উধাও? চৌম্বকক্ষেত্র কেন কেবল নির্দিষ্ট কোটার সূক্ষ্ম নল হিসেবেই ঢুকে? মাঝখানে নিরোধক থেকেও প্রবাহ কেন যায়, আর বাইরের মাইক্রোওয়েভ কেন প্রতিক্রিয়াকে সুশৃঙ্খল ধাপে বাঁধে?

II. শক্তি-সুতো তত্ত্ব (EFT) অনুযায়ী ব্যাখ্যা: জোড়া-ধরা ও ফেজ-লক, শক্তি-ক্ষয়ের পথ বন্ধ, এবং প্রতিবন্ধক পেরোনো “সমলয় রিলে”

1. আগে জোড়া বাঁধা, পরে ফেজ “সেলাই”
   শক্তি-সুতো তত্ত্ব (EFT) মতে ইলেকট্রন একক-লুপের স্থিতিশীল প্যাঁচ; এর বাইরের স্তর “শক্তির সাগর” ও স্ফটিক জালের সাথে মিথস্ক্রিয়া করে। তাপমাত্রা কমলে জালের কম্পন কমে, কিছু পদার্থে ইলেকট্রনের জন্য মসৃণ টান-করিডর খুলে যায়; বিপরীত লুপ-মুখী দুটি ইলেকট্রন তখন জোড়া বাঁধে। এ জোড়া-বাঁধা অনেক শক্তি-ক্ষয়ের পথ খর্ব বা বাতিল করে। আরও ঠান্ডায় বহু জোড়ার বাইরের স্তরের ফেজ একে-অপরের সাথে সারিবদ্ধ হয়ে পুরো নমুনা জুড়ে সমফেজ নেটওয়ার্ক গড়ে—যেন এক চলমান “ফেজ-কার্পেট”।
2. শূন্য রোধ কেন: সমষ্টিগতভাবে ক্ষয়-পথ বন্ধ
   সাধারণ রোধ মানে অসংখ্য ক্ষুদ্র পথে পরিবেশে শক্তি ফুটো হওয়া—যেমন অশুদ্ধতা, ফোনন, অমসৃণ প্রান্ত ইত্যাদি। ফেজ-কার্পেট বিছিয়ে গেলে স্থানীয় ভাঁজ, যা সমলয়তা ভাঙে, তোলা কঠিন হয়; শক্তি ক্ষয়ের প্রান্তিকতা হঠাৎ বেড়ে যায়। চালনা শক্তি কার্পেট ছিঁড়ে না ফেললে প্রবাহ শক্তি রসায় না, ফলে দেখা যায় শূন্য রোধ।
3. চৌম্বক-প্রতিহতি ও ফ্লাক্স-কোয়ান্টাইজেশন কেন: ফেজ ইচ্ছামতো বেঁকে যায় না
   অভ্যন্তরে মসৃণ থাকতে ফেজ-কার্পেট চৌম্বক বক্রতা প্রতিরোধ করে। তাই সীমানায় পৃষ্ঠ-প্রবাহ গড়ে উঠে বাইরের ক্ষেত্রকে ঠেলে দেয় (সম্পূর্ণ চৌম্বক-প্রতিহতি)। কিছু পদার্থে ক্ষেত্র সূক্ষ্ম নল হিসেবে ঢোকে; প্রতিটি নল ফেজের পূর্ণসংখ্যা বার প্রদক্ষিণের সমান—এটাই ফ্লাক্সের কোয়ান্টাইজেশন। নলগুলোকে ভাবা যায় “ফাঁপা টান-সুতো-কোর” হিসেবে; চারপাশে ফেজ ঘুরে, নলগুলো পারস্পরিক বিকর্ষণ করে ও জ্যামিতিক বিন্যাস গড়ে।
4. জোসেফসন প্রবাহ কেন: সরু বাধা জুড়ে সমলয় “রিলে”
   দুটি ফেজ-কার্পেটের মাঝে অত্যন্ত পাতলা নিরোধক/দুর্বল ধাতু রাখলে মাঝের অঞ্চল থাকে নিকট-সমালোচনামূলক অবস্থায়—সম্পূর্ণ সমলয় না হলেও খুব কাছাকাছি। এই সরু দরজায় জোড়াগুলোর ফেজ সমলয়ে হস্তান্তর করে: একক কণার ধাক্কা নয়, বরং দুদিকে মিলিয়ে এক ক্ষুদ্র ফেজ-সেতু “সেলাই” হয়।

• দুপাশের “তাল” মিললে সেতু স্থিরভাবে ফেজ বহন করে: ভোল্টেজ ছাড়াই সু-প্রবাহ (ডাইরেক্ট-কারেন্ট জোসেফসন)।
• “তাল” ভিন্ন হলে—ভোল্টেজ প্রয়োগ বা RF আলোকিতকরণে—ফেজ পার্থক্য সমবেগে বদলে বা বাহ্যিক তালেই লক হয়ে সেতু নির্দিষ্ট ছন্দে সু-প্রবাহ পাম্প করে; ফলে অল্টারনেটিং আচরণ ও ফ্রিকোয়েন্সি-লক ধাপ দেখা যায়।

5. সবসময় নিখুঁত নয় কেন: ত্রুটি ও ছেঁড়া জায়গা ক্ষয়-পথ খুলে দেয়
   প্রবাহ খুব বড়, ক্ষেত্র খুব শক্তিশালী, তাপমাত্রা বাড়ে, অথবা “ফেজ-পিন” করা ত্রুটি থাকলে কোয়ান্টাম ভর্টেক্স টেনে চলতে শুরু করে। ভর্টেক্স সরে গেলে কার্পেট ছোট ছোট ছিদ্রে ছিঁড়ে শক্তি বেরোয়; ফলত সমালোচনামূলক প্রবাহ, ক্ষয়-শিখর, ও অরৈখিক প্রতিক্রিয়া দেখা দেয়।

III. সাধারণ দৃশ্যাবলি

1. অতিচালক পদার্থের দুই শ্রেণি:

• একদল প্রায় সমস্ত চৌম্বকক্ষেত্র ঠেলে দেয়; সীমা ছাড়ালে সমষ্টিগতভাবে ভেঙে পড়ে।
• আরেকদল ক্ষেত্রকে সূক্ষ্ম নল হয়ে ঢুকতে দেয়; শক্তিশালী ক্ষেত্রে ভর্টেক্স জাল গড়ে তবু প্রবাহ বহন করে। পার্থক্যটি দেখায় ফেজ-কার্পেট চৌম্বক বক্রতা কতটা মানে।

2. রিং ও দীর্ঘস্থায়ী প্রবাহ:
   বন্ধ লুপে ফেজ-পরিক্রমণ পূর্ণসংখ্যা হতে হবে; কার্পেট অক্ষত থাকলে প্রবাহ দীর্ঘকাল টিকে। আবদ্ধ ফ্লাক্স যদি পূর্ণসংখ্যা-গুণ না হয়, সিস্টেম নিকটতম পূর্ণসংখ্যা অবস্থায় লাফিয়ে যায়—ফলে স্থিতিশীল ধাপ তৈরি হয়।
3. টানেল জংশন ও দুর্বল সংযোগ:
   “অতি-পাতলা” ফাঁকে শূন্য ভোল্টেজেই সু-প্রবাহ চলে; RF দিলে ভোল্টেজ ধাপে সাজে—ইঙ্গিত দেয় ফেজ-পার্থক্য বাহ্যিক তালে লক হয়েছে।
4. সমান্তরাল রিং: ইন্টারফেরোমিটার:
   দুটি ফেজ-সেতু ছোট লুপ বানালে বাহ্যিক ফ্লাক্স দু’পথে ভিন্ন ফেজ-শিফট আনে; সু-প্রবাহ ধ্রুব-পিরিয়ডে দোলায়, যা অতিসংবেদনশীল ফ্লাক্স-মাপনী হিসেবে কাজ করে।

IV. পর্যবেক্ষণযোগ্য “ফিঙ্গারপ্রিন্ট”

• রোধ হঠাৎ শূন্যে নামা: নির্দিষ্ট তাপমাত্রার নিচে রোধ আকস্মিকভাবে পড়ে।
• সম্পূর্ণ প্রতিহতি বা ফ্লাক্স-নল জাল: ক্ষেত্র ঠেলে ফেলা হয়, বা সূক্ষ্ম নল আকারে জ্যামিতিক বিন্যাসে ঢুকে।
• শূন্য-ভোল্টেজ সু-প্রবাহ ও সমালোচনামূলক প্রবাহ: নির্দিষ্ট সীমা পর্যন্ত প্রবাহ নিজেই চলে, সীমা ছাড়ালে ভেঙে যায়।
• RF-ধাপে লক ভোল্টেজ: RF পড়লে ভোল্টেজ ধাপে লক হয়—ফেজ-পার্থক্যের তাল-লক নিশ্চিত করে।
• হস্তক্ষেপের স্থির পর্বকাল: ছোট লুপে প্রবাহ ফ্লাক্সের সাথে পর্যায়ক্রমে ওঠানামা করে, পর্বকাল স্থির থাকে।
• ভর্টেক্স-পিনিং ও স্লাইডিং: ত্রুটিতে ক্ষয় কমে কিন্তু সমালোচনামূলক প্রবাহ বাড়ে; ভর্টেক্স সরে গেলে ক্ষয়-শিখর দেখা দেয়।

V. মূলধারার ব্যাখ্যার সাথে পাশাপাশি (একই পদার্থবিদ্যা বলছি)

• মূলধারা ম্যাক্রোস্কোপিক অর্ডার-প্যারামিটার (ফেজসহ কমপ্লেক্স অ্যাম্প্লিটিউড) দিয়ে জোড়া ইলেকট্রনের সংহতিকে লেখে; শূন্য রোধ আসে নিঃক্ষয় ফেজ-প্রবাহ থেকে; চৌম্বক-প্রতিহতি ফেজের বাঁক প্রতিরোধ থেকে; আর ফ্লাক্স-কোয়ান্টাইজেশন ও ভর্টেক্স পূর্ণসংখ্যা-পরিক্রমণের বাধ্যবাধকতা থেকে।
• শক্তি-সুতো তত্ত্ব একই কথাকে আরও “ধরা যায় এমন” ভাষায় রাখে: ইলেকট্রন-জোড়া = যুগল প্যাঁচ; ফেজ-কার্পেট = নমুনা-জুড়ে সমফেজ নেটওয়ার্ক; শূন্য রোধ = ক্ষয়-পথের সমষ্টিগত বন্ধ; ফ্লাক্স-কোয়ান্টাইজেশন = টপোলজিক্যাল ত্রুটি যা ফাঁপা টান-সুতো-কোর ঘিরে; জোসেফসন = নিকট-সমালোচনামূলক ফাঁক জুড়ে ক্ষুদ্র ফেজ-সেতু। পরিমিতি-নিয়ম ও ঘটনাবলী একমত; কেবল বর্ণনা জ্যামিতিকে “সুতো ও সাগর” উপাদানে স্থাপন করে।

VI. সংক্ষেপে

অতিচালকত্ব মানে ইলেকট্রন “হঠাৎ নিখুঁত” হওয়া নয়; বরং ইলেকট্রনকে জোড়া বাঁধা, তারপর অসংখ্য জোড়ার ফেজ লক করে একটিমাত্র কার্পেটে গেঁথে ফেলা:

• কোমল চালনায় কার্পেট ক্ষয়-পথ বন্ধ করে → শূন্য রোধ।
• কার্পেট ইচ্ছামতো বাঁক মানে না → ক্ষেত্রকে ঠেলে দেয়, কিংবা কেবল কোয়ান্টাম ভর্টেক্স হিসেবে ঢুকতে দেয়।
• দুটি কার্পেটের মাঝে নিকট-সমালোচনামূলক সরু ফাঁক থাকলেই ফেজ-সেতু “সেলাই” হয়—শূন্য ভোল্টেজে সু-প্রবাহ বয়ে যায়, আর বাহ্যিক তালে ধাপে ধাপে ভোল্টেজ উঠে।

এক লাইনে মনে রাখুন: জোড়া বাঁধা → ফেজ লক → প্রতিবন্ধক পেরিয়ে সমলয় রিলে—অতিচালকত্ব ও জোসেফসন প্রভাবের পূর্ণ বিস্ময় এই তিন ধাপ থেকেই আসে।