चुम्बकीय और अतिचालक (सुपरकंडक्टिंग) पदार्थ पर अनुसंधान

1.चुंबकीय सामग्री:

चुंबकीय सामग्री पर शोध वर्तमान में मेगनेटोकेलोरिक प्रभाव और इसके संभावित निम्न उपयोग पर केंद्रित है:

(i) कमरे के तापमान और उसके आसपास प्रशीतन और
(ii) गैस द्रवीकरण।

(i) चुंबकीय प्रशीतन, वाष्प-चक्र रेफ्रिजरेटर और एयर कंडीशनर के लिए एक ऊर्जा-कुशल और पर्यावरणीय रूप से अच्छा प्रौद्योगिकी विकल्प है। यह मौजूदा रेफ्रिजरेटर के सबसे अक्षम हिस्से 'कंप्रेसर' को समाप्त करके परिचालन लागत की काफी बचत प्रदान करता है। यह एक ठोस रेफ्रिजरेंट और एक सामान्य गर्मी हस्तांतरण द्रव (जैसे पानी, हवा या हीलियम गैस) का उपयोग करता है जिससे कोई ओजोन-क्षय और ग्लोबल-वार्मिंग प्रभाव नहीं होता है। अभी तकनीक एक नवजात अवस्था में है, और इसका विकास काफी हद तक कमरे के तापमान या उसके आसपास के तापमान पर एक उच्च मैग्नेटोकलोरिक प्रभाव वाली सामग्री की खोज पर निर्भर करेगा। वर्तमान में चल रही अनुसंधान गतिविधि मुख्यतः सामग्री के दो वर्गों अर्थात् NiMnX (X = In, Sn, Al इत्यादि) पर आधारित त्रिआधारी हुस्लर मिश्र और FeRh पर आधारित द्विआधारी मिश्र धातुओं पर केंद्रित है।

Ni₅₀Mn₃₄In₁₆ मिश्र धातु में 240 K के आसपास महत्वपूर्ण रेफ्रिजरेंट क्षमता के साथ उच्च मेगनेटोकेलोरिक प्रभाव देखा गया है, और इस Ni₅₀Mn₃₄In₁₆ मिश्र धातु में Cr और Cu के आंशिक रासायनिक प्रतिस्थापन द्वारा कार्य तापमान को 275 K तक बढ़ा दिया गया है। आगे के अनुसंधान से पता चला है कि जो प्रथम कोटि मेगनेटो-स्ट्रक्चरल प्रभाव इन NiMnIn आधारित मिश्र धातुओं में मेगनेटोकेलोरिक प्रभाव के लिए जिम्मेदार है, एक बड़े मेगनेटोरेसिस्टेंस और उच्च चुंबकीय क्षेत्र प्रेरित स्ट्रेन को भी जन्म देता है। ये परिणाम इस मिश्र धातु की बहुक्रियाशील प्रकृति को उजागर करते हैं। प्रथम कोटि मेगनेटो-स्ट्रक्चरल फेज ट्रांजिशन से सम्बंधित समान मल्टीफंक्शनल गुण सम-परमाणु FeRh मिश्र धातु में पाए गए हैं। विशाल चुंबकीय प्रशीतन क्षमता के साथ एक बहुत बड़ा और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य मेगनेटोकलोरिक प्रभाव कमरे के तापमान और उसके आसपास के तापमान पर FeRh मिश्र धातु में देखा गया है।

वर्तमान शोध ऐसे मेगनेटोकेलोरिक पदार्थों पर किया जा रहा है जो कमरे के तापमान पर प्रशीतन के लिए उपयोगी हो सकते है और जो की पृथ्वी पर प्रचुर मात्रा में उपस्थित हो जैसे Mn-Co-Ge मिश्र। इस मिश्र धातु की एक ऑफ-स्टोइकोमेट्रिक संरचना में कमरे के तापमान के पास एक बड़ा मेगनेटोकलोरिक प्रभाव देखा गया है। यह काम ऐसे मंहगे दुर्लभ-पृथ्वी (rare-earth) सामग्रियों जिन्हें शुद्ध करना मुश्किल है के लिए एक उपयुक्त विकल्प खोजने के उद्देश्य से महत्वपूर्ण है। अपनाई जाने वाली मिश्र धातुओं में आर्सेनिक जैसे तत्व नहीं होते हैं, जो प्रकृति में विषैले होते हैं।

इस तरह के बहुक्रियाशील गुणों की जड़ में विकार जनित प्रथम कोटि फेज ट्रांजिशन है, जो बदले में चुंबकीय सामग्री के विभिन्न वर्गों में इलेक्ट्रॉनिक और लैटिस डिग्री ऑफ़ फ्रीडम के बीच एक दिलचस्प परस्पर क्रिया की अभिव्यक्ति है। इस सामान्यता को एक दिलचस्प मॉडल इंटरमेटेलिक कंपाउंड cefe₂ की मदद से उजागर किया गया है। आगे यह दिखाया गया है कि कुछ परिस्थितियों में, एक चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, यह प्रथम कोटि मेगनेटो-स्ट्रक्चरल फेज ट्रांजिशन अक्सर 'काइनेटिक अरेस्ट' हो जाता है, और इस तरह एक अत्यधिक गैर-संतुलन ग्लास (मैग्नेटिक ग्लास) जैसी चुंबकीय स्थिति को जन्म देता है। यह चुंबकीय-ग्लास स्थिति ‘स्पिन-ग्लास’ स्थिति से अलग है, और यह cefe₂ आधारित मिश्र धातुओं के अलावा NiMnIn, FeRh और gd₅ge₄ में भी देखा गया है।

(ii) तरल हाइड्रोजन, अपने उच्च मात्रा घनत्व के साथ, कुशलतापूर्वक और आर्थिक रूप से हाइड्रोजन के भंडारण और परिवहन के लिए एक उपयोगी माध्यम है। पारंपरिक लिक्विफायर में, वर्तमान में फिगर ऑफ़ मेरिट लगभग 35% है। उच्च दक्षता (> 50%) प्राप्त करने के लिए, मेगनेटोकलोरिक प्रभाव पर आधारित चुंबकीय प्रशीतन एक आशाजनक शीतलन विधि है। इस दिशा में चल रहे शोध 20 से 70 K के तापमान श्रेणी में उच्च मेगनेटोकलोरिक प्रभाव वाले प्रदार्थ खोजने पर केंद्रित है। इस दिशा में उच्च क्षमता वाले कई नए मेगनेटोकलोरिक सामग्रियों- DyCu₂, DyPt₂, MnSi, NdRu₂ और GdCu₆ की पहचान की गई है।

2. अतिचालक (सुपरकंडक्टिंग) प्रदार्थ:

सुपरकंडक्टिंग प्रदार्थो में वर्तमान में अनुसंधान निम्न पर केंद्रित है:

(i) उच्च-करंट, उच्च चुंबकीय क्षेत्र अनुप्रयोगों के लिए सुपरकंडक्टर्स (यानी उच्च-चुंबकीय क्षेत्र सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट)
(ii) सुपरकंडक्टिंग रेडियो-फ्रीक्वेंसी (SCRF) कैविटी अनुप्रयोगों के लिए सामग्री।

(i) उच्च-करंट उच्च चुंबकीय क्षेत्र अनुप्रयोगों के लिए सुपरकंडक्टर:

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सुपरकंडक्टिंग मेगनेट वर्तमान में NbTi मिश्र धातु (फ़ील्ड < 7 T के लिए ) और Nb3Sn मिश्र धातु (फ़ील्ड 7 T < H < 15– 20 T के लिए) पर आधारित हैं। उच्च चुंबकीय क्षेत्रों की बढ़ती मांग बेहतर करंट वहन क्षमता के साथ नए सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों पर अनुसंधान को प्रेरित करती है। A-15 सुपरकंडक्टर Nb3Al ऐसी सामग्री का एक उदाहरण है, जिसे अंतर्राष्ट्रीय थर्मोन्यूक्लियर प्रायोगिक रिएक्टर (ITER) में उपयोग किए जाने वाले उच्च-क्षेत्र सुपरकंडक्टिंग मेगनेट पर R & D के लिए पहचाना गया है। एफईएल एवं उपयोगिता अनुभाग ने इस सामग्री पर काम किया है, और एक नई समग्र सुपरकंडक्टिंग सामग्री की खोज की है जो Nb-Al मैट्रिक्स में एम्बेडेड Nb3Al नैनो-कणों से बनी हैं और उसमे बहुत उच्च क्रिटिकल करंट क्षमता पायी गयी है। यह शोध चल रही गतिविधियों को एक नई दिशा देता है, और वर्तमान में तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए उनके गुणों को ट्यून करने की संभावना पर अध्ययन चल रहा है।

Nb- आधारित सुपरकंडक्टर्स दीर्घकालिक न्यूट्रॉन विकिरण वातावरण के लिए बहुत उपयुक्त नहीं हैं क्योंकि विकिरण वातावरण से इन सामग्रियों में दीर्घकालिक रेडियोधर्मिता का जन्म होता है। इसके अलावा, आधुनिक दुनिया में विभिन्न क्षेत्रों में सुपरकंडक्टिविटी के बढ़ते उपयोग के साथ, हर जगह Nb के उपयोग से भविष्य में इस तत्व की कमी हो सकती है। इसलिए वैकल्पिक सुपरकंडक्टिंग मिश्र धातुओं को खोजने की आवश्यकता है। एफईएल एवं उपयोगिता अनुभाग रिफ्रैक्टरी धातु आधारित मिश्र धातुओं के अध्ययन में दिलचस्पी रखता है, जिसमें Zr, Ti, V, Mo और Re को Nb आधारित सुपरकंडक्टर्स के विकल्प के रूप में उपयोग किया गया हो। वर्तमान रुचि विशेष रूप से Ti-V मिश्र धातु पर उनके उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों और अन्य दिलचस्प भौतिक गुणों के कारण हैं। मिश्र धातुओं की इस श्रृंखला में मेगनेटिज्म और सुपरकंडक्टिविटी को सह-अस्तित्व में पाया गया है। ऐसा पाया गया हैं की दुर्लभ पृथ्वी तत्वों की प्रतिस्थापन से इन मिश्र धातुओं की करंट ले जाने की क्षमता 6 T तक के चुंबकीय क्षेत्रों में 20 गुना तक बढ़ जाती है।

(ii) सुपरकंडक्टिंग रेडियोफ्रीक्वेंसी (SCRF) केविटी अनुप्रयोगों के लिए सामग्री:

एससीआरएफ केविटीयों का व्यापक उपयोग उच्च ऊर्जा कण-त्वरक में निरंतर तरंग (CW) या लंबी-पल्स मोड में उच्च गति वाले विद्युत क्षेत्र ग्रेडिएंट्स के साथ किया जाता है। एससीआरएफ केविटी के लिए दो मूलभूत सीमाएँ हैं: (i) क्रिटिकल आरएफ चुंबकीय क्षेत्र जिसके ऊपर सुपरकंडक्टिंग फील्ड नष्ट हो जाता है, जो 'त्वरित फील्ड' या 'ग्रेडिएंट' को सीमित करता है, और (ii) सूक्ष्म BCS सिद्धांत द्वारा अनुमानित सतह प्रतिरोध, जो गुणवत्ता कारक (Q) को सीमित करता है। ऐसे एससीआरएफ केविटीयों के लिए वर्तमान में पसंद की सामग्री अपने बहुत शुद्ध रूप में टाइप- II सुपरकंडक्टर नायोबियम (Nb) है। एससीआरएफ केविटी प्रौद्योगिकी में एक खुला सवाल यह है कि Nb के क्रिटिकल फील्ड की अपेक्षित सीमा से नीचे ही Nb का आरएफ सतह प्रतिरोध, चुंबकीय क्षेत्र में तेजी से क्यों बढ़ जाता है? RRCAT के अनुसंधान ने इस दिशा में कुछ सुराग प्रदान किए हैं जिससे यह कहा जा सकता है कि "बफर केमिकल पॉलिशिंग" Nb में बहुत सारा हाइड्रोजन और ऑक्सीजन डाल देती है, जो इसके सूक्ष्म सुपरकंडक्टिंग गुणों को बाधित करता है। केमो-मैकेनिकल पॉलिशिंग की नई तकनीकें, जिसमे कठोर अम्लीय वातावरण का उपयोग नहीं होता हैं, शुद्ध Nb पर बहुत कम सतह खुरदरापन प्राप्त करने के लिए खोजी जा रही हैं। बफर केमिकल पॉलिशिंग की तुलना में लोअर क्रिटिकल फील्ड के कम गिरावट के साथ लगभग 10 nm का आरएमऐस सतह खुरदरापन प्राप्त किया जा सकता है। वर्त्तमान में चल रहे शोध का उद्देश्य Nb और उसकी मिश्र धातुओं के सुपरकंडक्टिंग और तापीय गुणों (बल्क और पतली-फिल्म दोनों में) की बेहतर समझ और अन्य सामग्री जैसे Ti-V और Mo-Re मिश्र की बेहतर समझ है।

यह शोध एक एससीआरएफ केविटी के बेहतर और पुनरुत्पादनीय प्रदर्शन के लिए सामग्रियों की पहचान करने में मदद करेगा। यह माना जाता है कि शुरुआती सामग्रियों के सुपरकंडक्टिंग, थर्मल और यांत्रिक गुणों के संदर्भ में एससीआरएफ गुहा निर्माण के लिए उपयुक्त सुपरकंडक्टिंग सामग्री चुनने में योग्यता मानदंडों को अनुकूलन के लिए अभी भी गुंजाइश है, जो भविष्य में एक एससीआरएफ केविटी के उत्पादन की लागत को काफी कम करने में मदद कर सकता है। ।