Type-II Dirac points and Dirac nodal loops on the magnons of square-hexagon-octagon lattice

ठोस पदार्थों की शांत दुनिया में, गतिविधि की एक छिपी हुई परत मौजूद है जिसका बिजली या इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह से कोई लेना-देना नहीं है। इसके बजाय, इसमें नन्हे परमाणु चुम्बकों, जिन्हें स्पिन कहा जाता है, का सामूहिक डगमगाना शामिल है, जो एक तालाब पर लहर की तरह क्रिस्टल के माध्यम से लहरों की तरह प्रवाहित होते हैं। इन लहरों को मैग्नॉन (magnons) कहा जाता है। इलेक्ट्रॉनों के विपरीत, मैग्नॉन में कोई विद्युत आवेश नहीं होता है, लेकिन वे ऊर्जा और कोणीय संवेग (angular momentum) नामक एक विशिष्ट प्रकार का स्पिन वहन करते हैं। दशकों से, भौतिक विज्ञानी इस बात से मंत्रमुग्ध रहे हैं कि ये तरंगें कैसे व्यवहार करती हैं जब जिस सामग्री से वे गुजरती हैं, उसकी एक विशेष, मुड़ी हुई संरचना होती है। ऐसी सामग्रियों में, तरंगें "टोपोलॉजिकल" (topological) हो सकती हैं, जिसका अर्थ है कि उनका पथ सामग्री की ज्यामिति द्वारा सुरक्षित होता है, जो उन्हें उन दोषों या अशुद्धियों के विरुद्ध अविश्वसनीय रूप से सुदृढ़ बनाता है जो आमतौर पर उन्हें बिखेर देते हैं। यह सुदृढ़ता केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह एक ऐसे भविष्य का वादा करती है जहाँ सूचना को उस ऊर्जा हानि के बिना पहुँचाया जा सके जो वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक्स में समस्या पैदा करती है। हालाँकि, इन विशेष अवस्थाओं को बनाने के लिए आमतौर पर जटिल चुंबकीय अंतःक्रियाओं की आवश्यकता होती है जिन्हें नियंत्रित करना या देखना कठिन होता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब परमाणुओं की एक विशिष्ट, हाल ही में खोजी गई व्यवस्था का उपयोग करके इन संरक्षित चुंबकीय तरंगों को उत्पन्न करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने एक जाली संरचना (lattice structure) पर ध्यान केंद्रित किया जो वर्गों, षट्कोणों और अष्टकोणों के दोहराव वाले पैटर्न के आकार की है, एक डिज़ाइन जिसे बाइफेनिलिन नेटवर्क (biphenylene network) नामक कार्बन-आधारित सामग्री में संश्लेषित किया गया है। इस संरचना को चुंबकीय तरंगों के खेल के मैदान के रूप में उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मानचित्रण करने के लिए किया कि तरंगें कैसे चलेंगी। उन्होंने पाया कि कुछ स्थितियों के तहत, इन तरंगों के ऊर्जा स्तर एक अद्वितीय आकार बनाते हैं जिसे टाइप-II डिराक पॉइंट (Type-II Dirac point) कहा जाता है। भौतिकी में आमतौर पर देखे जाने वाले मानक, सममित शंक्वाकार ऊर्जा स्तरों के विपरीत, ये बिंदु झुके हुए होते हैं, जिससे एक ऐसा परिदृश्य बनता है जहाँ तरंगें अपनी दिशा के आधार पर अलग-अलग गति से चलती हैं। यह झुकाव कोई मामूली विवरण नहीं है; यह मौलिक रूप से तरंगों की अंतःक्रिया को बदल देता है, जिससे उन्हें ऊर्जा के बंद लूप बनाने की अनुमति मिलती है जो टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित होते हैं।

शोधकर्ताओं ने पाया कि ये संरक्षित अवस्थाएँ बिना टोपोलॉजिकल संक्रमण को शुरू करने के लिए डज़ालोसिनस्की-मोरिया इंटरेक्शन (Dzyaloshinskii-Moriya interaction - DMI) की आवश्यकता के बिना स्वाभाविक रूप से सामग्री में दिखाई देती हैं। हालाँकि, चेर्न नंबर (Chern number) जैसे टोपोलॉजिकल परिवहन गुणों को पूरी तरह से परिभाषित करने और डिराक बिंदुओं पर ऊर्जा अंतराल खोलने के लिए, DMIs का परिचय आवश्यक है। अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जबकि प्रारंभिक टोपोलॉजिकल विशेषताएं जाली की ज्यामिति और विनिमय युग्मन (exchange couplings) से उत्पन्न होती हैं, प्रणाली एक विशिष्ट पैरामीटर रेंज के भीतर DMIs के प्रति सुदृढ़ रहती है। जब शोधकर्ताओं ने अपने मॉडल में परमाणुओं के बीच के संबंधों की शक्ति को समायोजित किया, तो उन्होंने ऊर्जा परिदृश्य को बदलते हुए देखा। एक बिंदु पर, ऊर्जा के वे विशिष्ट बिंदु जहाँ तरंगें एक-दूसरे को काटती हैं, आपस में मिल जाते हैं और गायब हो जाते हैं, जिसे पेयर एनिहिलेशन (pair annihilation) कहा जाता है। यह मिलन एक स्विच के रूप में कार्य करता है, जो सामग्री को विशेष टोपोलॉजिकल सुरक्षा वाली अवस्था से एक सामान्य, ट्रिवियल अवस्था में बदल देता है। इस संक्रमण को ट्रैक करके, टीम ने पहचान लिया कि सामग्री कहाँ विकार से सुरक्षित थी और कहाँ वह संवेदनशील थी। उन्होंने यह भी दिखाया कि जब उन्होंने जटिल चुंबकीय अंतःक्रियाओं को पेश किया, तब भी ऊर्जा के विशेष लूप एक विशिष्ट सीमा के भीतर स्थिर रहे, जो प्रणाली के लचीलेपन को सिद्ध करता है।

केवल ऊर्जा का मानचित्रण करने के अलावा, टीम ने यह गणना की कि ये तरंगें सामग्री के बिल्कुल किनारे पर कैसे व्यवहार करेंगी। एक टोपोलॉजिकल सामग्री में, तरंगों को किनारे के साथ यात्रा करने के लिए मजबूर किया जाता है, वे पीछे मुड़ने या पीछे की ओर बिखरने में असमर्थ होती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक कार को एकतरफा सड़क पर रहने के लिए मजबूर किया जाता है। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि ये किनारे की तरंगें एक विशिष्ट प्रकार का करंट वहन करती हैं जो सैद्धांतिक रूप से एक मापने योग्य तापीय प्रभाव उत्पन्न करती है। जब सामग्री के आर-पार तापमान का अंतर लागू किया जाता है, तो अनुमान है कि ये किनारे की तरंगें एक ऊष्मा प्रवाह उत्पन्न करेंगी जो बगल की ओर चलता है, जिसे थर्मल हॉल प्रभाव (thermal Hall effect) के रूप में जाना जाता है। यह प्रभाव सामग्री की टोपोलॉजिकल प्रकृति का एक सीधा संकेत है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने इस व्यवहार को एक क्लासिक भौतिक घटना, आइंस्टीन-डी हास प्रभाव (Einstein-de Haas effect) से जोड़ा। यह प्रभाव बताता है कि कैसे किसी भौतिक वस्तु का घूर्णन उसके भीतर के स्पिन के कोणीय संवेग में परिवर्तन के कारण हो सकता है। टीम ने गणना की कि इस वर्ग-षट्कोण-अष्टकोण जाली में अद्वितीय टोपोलॉजिकल तरंगें इस प्रभाव में एक विशिष्ट, मापने योग्य प्रतिक्रिया उत्पन्न करेंगी, जो इन विलक्षण अवस्थाओं को वास्तविक प्रयोग में देखने का एक संभावित तरीका प्रदान करती है, बशर्ते विशिष्ट प्रयोगात्मक सेटअप लागू किए जाएं।

अध्ययन सुझाव देता है कि ये निष्कर्ष केवल गणितीय अमूर्तता नहीं हैं बल्कि इन्हें वास्तविक चुंबकीय सामग्रियों में देखा जा सकता है जो इस परमाणु संरचना की नकल करती हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इनइलास्टिक न्यूट्रॉन स्कैटरिंग (inelastic neutron scattering) जैसी तकनीकें, जिसमें सामग्री के आंतरिक ऊर्जा स्तरों को देखने के लिए न्यूट्रॉन को टकराया जाता है, इन ऊर्जा लूपों और जहाँ वे मिलते हैं उन विशेष बिंदुओं को देखने के लिए उपयोग की जा सकती हैं। उन्होंने यह भी बताया कि वह विशिष्ट तापमान सीमा जहाँ ये प्रभाव सबसे मजबूत होते हैं, काफी कम है, लेकिन वर्तमान प्रयोगशाला उपकरणों के लिए सुलभ है। यह कार्य प्रयोगवादियों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है: इस विशिष्ट ज्यामिति वाली सामग्री में चुंबकीय संबंधों को ट्यून करके, वे एक ऐसी अवस्था बना सकते हैं जहाँ चुंबकीय तरंगें बिना प्रतिरोध के प्रवाहित होती हैं और अद्वितीय तापीय संकेत उत्पन्न करती हैं। यह चुंबकीय सूचना को विद्युत धाराओं के बिना नियंत्रित करने के तरीके को समझने के लिए एक नया मार्ग खोलता है, जो भविष्य में डेटा को संसाधित करने के अधिक कुशल तरीकों की ओर ले जा सकता है। यह खोज पुष्टि करती है कि परमाणु जाली की ज्यामिति स्वयं चुंबकीय तरंगों के व्यवहार को इंजीनियर करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो अगली पीढ़ी की चुंबकीय प्रौद्योगिकियों के अन्वेषण के लिए एक सुदृढ़ मंच प्रदान करती है।