Brian Josephson

तरल हीलियम के ठंडे आगोश में, एक असंभव-सा प्रतीत होने वाला घटनाक्रम सामने आता है: एक विद्युत प्रवाह सहजता से प्रवाहित होता है, जो प्रतिरोध से बाधित नहीं होता। यह अतिचालकता है, एक क्वांटम अवस्था जहाँ इलेक्ट्रॉन पूर्ण सामंजस्य में गति करते हैं। लेकिन सन् एक हज़ार नौ सौ बासठ में, एक युवा ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी, ब्रायन जोसेफसन, ने कुछ और भी असाधारण भविष्यवाणी की। उन्होंने प्रस्तावित किया कि यह 'सुपरकरंट' दो अतिचालकों को अलग करने वाली एक पतली इन्सुलेटिंग बाधा के पार क्वांटम टनल कर सकता है, एक ऐसा कारनामा जिसे शास्त्रीय भौतिकी असंभव मानती थी।

जोसेफसन की अंतर्दृष्टि को समझने के लिए, हमें पहले अतिचालकता को समझना होगा। हेइके कैमरलिंग ओन्स द्वारा उन्नीस सौ ग्यारह में खोजी गई यह अवस्था, कुछ सामग्रियों को, पूर्ण शून्य के करीब ठंडा करने पर, शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करने की अनुमति देती है। इलेक्ट्रॉन, बिखरने के बजाय, 'कूपर जोड़े' में जुड़ जाते हैं - एक नाजुक क्वांटम नृत्य जो उन्हें सामग्री के माध्यम से अबाधित रूप से सरकने, अनिश्चित काल तक धारा ले जाने की अनुमति देता है। इस मैक्रोस्कोपिक क्वांटम घटना ने भविष्य की सफलताओं के लिए आधार तैयार किया।

जोसेफसन से पहले, एक इन्सुलेटर के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के घूमने का विचार विरोधाभासी लगता था। हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांत 'टनलिंग' की अनुमति देते हैं। इस प्रति-सहज प्रभाव में, एक कण ऊर्जा अवरोध से गुज़र सकता है, भले ही उसके पास इसे पार करने के लिए पर्याप्त शास्त्रीय ऊर्जा न हो। यह ऐसा है जैसे एक गेंद बिना छेद वाली दीवार से गुज़र सकती है, यह पूरी तरह से क्वांटम यांत्रिक संभावना है। इस घटना को पहले ही लियो एसाकी द्वारा अर्धचालकों में और इवर जियाएवर द्वारा अतिचालकों में देखा जा चुका था।

क्वांटम टनलिंग की अवधारणा पर आधारित, ब्रायन जोसेफसन, जो उस समय कैम्ब्रिज में पीएचडी छात्र थे, ने एक महत्वपूर्ण सैद्धांतिक छलांग लगाई। जबकि पिछले काम में व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों की टनलिंग दिखाई गई थी, जोसेफसन ने यह पूछने की हिम्मत की: क्या कूपर जोड़े टनल कर सकते हैं? इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि क्या एक सुपरकरंट - युग्मित इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह - बिना किसी वोल्टेज के लगाए, दो सुपरकंडक्टरों के बीच एक पतली इन्सुलेट परत के माध्यम से टनल कर सकता है? यह एक मौलिक प्रस्थान था, जो एक मैक्रोस्कोपिक क्वांटम प्रभाव की भविष्यवाणी कर रहा था।

जोसेफसन की भविष्यवाणी, जिसे अब डीसी जोसेफसन प्रभाव के नाम से जाना जाता है, में कहा गया था कि एक सुपरकरंट वास्तव में ऐसे 'जंक्शन' से बिना किसी लगाए गए वोल्टेज के भी, एक क्रांतिक करंट तक प्रवाहित हो सकता है। इसका मतलब था कि कूपर युग्मों का वर्णन करने वाला क्वांटम यांत्रिक तरंग फलन, इन्सुलेटिंग अवरोध के पार अपनी सुसंगतता, या 'फेज़' को बनाए रखता है। यह मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर क्वांटम यांत्रिकी की एक सीधी अभिव्यक्ति थी, कुछ ऐसा जो वास्तव में आश्चर्यजनक था।

डीसी सुपरकरंट के अलावा, जोसेफसन ने एसी जोसेफसन प्रभाव की भी भविष्यवाणी की थी: यदि जंक्शन पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो सुपरकरंट उस वोल्टेज के समानुपाती एक अविश्वसनीय रूप से सटीक आवृत्ति पर दोलन करेगा। इस अभूतपूर्व भविष्यवाणी का मतलब था कि एक वोल्टेज को एक आवृत्ति में, और इसके विपरीत, अद्वितीय सटीकता के साथ परिवर्तित किया जा सकता है। यह मौलिक संबंध उच्च-सटीकता मेट्रोलॉजी के लिए एक आधारशिला बन गया है।

जोसेफसन की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि बेल लैब्स में फिलिप एंडरसन और जॉन रोवेल ने १९६२-६३ में प्रायोगिक तौर पर तुरंत कर दी थी। उनके पीएचडी के दौरान विकसित किए गए काम की स्पष्टता और गहनता ने उन्हें १९७३ में भौतिकी के नोबेल पुरस्कार का एक हिस्सा दिलाया, जिससे वे तैंतीस साल की उम्र में अब तक के सबसे कम उम्र के विजेताओं में से एक बन गए। उनके काम ने, एसाकी और जियाएवर के साथ मिलकर, स्थूल घटनाओं को समझाने में क्वांटम यांत्रिकी की शक्ति का प्रदर्शन किया।

जोसेफसन प्रभाव के सबसे उल्लेखनीय अनुप्रयोगों में से एक है सुपरकंडक्टिंग क्वांटम इंटरफेरेंस डिवाइस, या स्क्विड। ये अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील मैग्नेटोमीटर पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र की तुलना में लाखों गुना कमजोर चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगा सकते हैं। स्क्विड दो समानांतर जोसेफसन जंक्शनों के माध्यम से टनलिंग करने वाले सुपरकरंट के क्वांटम इंटरफेरेंस का उपयोग करते हैं, जिससे एक अत्यधिक संवेदनशील चुंबकीय क्षेत्र डिटेक्टर बनता है।

स्क्विड (SQUID) ने चिकित्सा से लेकर भूविज्ञान तक के क्षेत्रों में क्रांति ला दी है। चिकित्सा में, यह मस्तिष्क की गतिविधि (मैग्नेटोएन्सेफेलोग्राफी, एमईजी) द्वारा उत्पन्न अविश्वसनीय रूप से मंद चुंबकीय क्षेत्रों का मानचित्रण करता है, और भूविज्ञान में, यह भूमिगत गहरी सूक्ष्म चुंबकीय विसंगतियों का पता लगाता है। स्क्विड से परे, जोसेफसन जंक्शन क्वांटम कंप्यूटिंग में मौलिक घटक हैं, जो सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स के रूप में कार्य करते हैं। जोसेफसन द्वारा अनुमानित उनका सटीक क्वांटम व्यवहार, अद्वितीय कम्प्यूटेशनल शक्ति को अनलॉक करने का मार्ग प्रदान करता है।

ब्रायन जोसेफसन के अग्रणी कार्य ने क्वांटम यांत्रिकी के सूक्ष्म जगत को स्थूल प्रेक्षणीय घटनाओं से जोड़ा। एक छात्र के रूप में व्युत्पन्न उनके समीकरणों ने न केवल एक नए क्वांटम प्रभाव का अनावरण किया, बल्कि अति-संवेदनशील सेंसर की एक पीढ़ी को भी जन्म दिया और भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए मूलभूत तत्वों को रखा। उनकी विरासत हमें याद दिलाती है कि सबसे अमूर्त सैद्धांतिक भविष्यवाणियाँ भी भौतिकी और कल के नवाचारों को शक्ति प्रदान करने की हमारी समझ को नाटकीय रूप से नया आकार दे सकती हैं।