Exploring Magnetism of Lead-free Halide Double Perovskites: A High-Throughput First-Principles Study
यह उच्च-थ्रूपुट प्रथम-सिद्धांतों वाला अध्ययन लेड-मुक्त हैलाइड डबल पेरोव्स्किट्स के चुंबकीय गुणों की जांच करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि अधिकांश प्रति-चुंबकीय (antiferromagnetism) गुण प्रदर्शित करते हैं, और जैसे विशिष्ट मिश्रित यौगिक स्पिंट्रोनिक्स अनुप्रयोगों के लिए उच्च-तापमान वाले फेरोमैग्नेटिक हाफ-मेटल्स के रूप में आशाजनक हैं।
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दशकों से, वैज्ञानिक उन सामग्रियों की एक नई पीढ़ी की खोज कर रहे हैं जो तेज़ कंप्यूटरों और अधिक कुशल ऊर्जा उपकरणों को शक्ति प्रदान कर सकें। इस खोज का एक प्रमुख केंद्र पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक क्रिस्टल का एक परिवार रहा है, जो बिजली और प्रकाश का संचालन करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है। हालाँकि, इन क्रिस्टलों के सबसे प्रभावी संस्करणों में लेड (सीसा) होता है, जो एक जहरीली धातु है और उन्हें बनाना और निपटाना खतरनाक बनाती है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने "लेड-मुक्त" विकल्पों की ओर रुख किया है, विशेष रूप से 'डबल पेरोव्स्काइट्स' नामक एक जटिल समूह की ओर। ये सामग्रियाँ परमाणुओं की एक विशिष्ट व्यवस्था से बनी होती हैं जहाँ एक बड़े केंद्रीय परमाणु को छोटे आयनों के पिंजरे से घेरा जाता है। इन क्रिस्टलों को आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए उपयोगी बनाने की कुंजी उनके चुंबकत्व (magnetism) में निहित है। यदि वैज्ञानिक इन लेड-मुक्त क्रिस्टलों को चुंबकीय बनाने का तरीका खोज लेते हैं, तो उनका उपयोग स्पिनट्रॉनिक्स (spintronics) में किया जा सकता है, जो एक ऐसी तकनीक है जो सूचना को संग्रहीत करने और संसाधित करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के चार्ज के बजाय उनके 'स्पिन' का उपयोग करती है। चुनौती यह है कि जबकि ये सामग्रियाँ स्थिर और गैर-विषाक्त हैं, वे शायद ही कभी मजबूत चुंबकीय व्यवहार प्रदर्शित करती हैं, और जब वे करती भी हैं, तो अक्सर बहुत कम तापमान पर गायब हो जाता है।
एक व्यापक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इन लेड-मुक्त हैलाइड डबल पेरोव्स्काइट्स की चुंबकीय क्षमता का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। प्रयोगशाला में कुछ नमूनों का परीक्षण करने के बजाय, उन्होंने हजारों संभावित रासायनिक संयोजनों की जांच करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने सीज़ियम, क्लोरीन और अन्य विभिन्न तत्वों से बने क्रिस्टल पर ध्यान केंद्रित किया, विशेष रूप से उन मामलों की तलाश की जहाँ क्रिस्टल की संरचना में चुंबकीय परमाणुओं को रखा गया था। टीम ने गणना की कि इन परमाणुओं के चुंबकीय स्पिन एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेंगे और उन्होंने उस तापमान की भविष्यवाणी की जिस पर सामग्री अपना चुंबकीय क्रम खो देगी। उनके सिमुलेशन ने एक सामान्य नियम का खुलासा किया: अधिकांश सामग्रियाँ स्वाभाविक रूप से एंटीफेरोमैग्नेटिक (antiferromagnetic) हैं, जिसका अर्थ है कि उनके आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, और वे केवल जमा देने वाले तापमान से काफी नीचे, अक्सर 50 केल्विन से कम पर चुंबकीय गुण प्रदर्शित करती हैं। इसने पुष्टि की कि केवल लेड को बदलना ही एक उपयोगी चुंबकीय सामग्री बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है; तत्वों के अलावा परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था भी उतनी ही महत्वपूर्ण है।
इस सामान्य कमजोर या रद्द होने वाले चुंबकत्व की प्रवृत्ति के बावजूद, अध्ययन ने कुछ असाधारण उम्मीदवारों की पहचान की जो नियमों को तोड़ते हैं। शोधकर्ताओं ने तीन विशिष्ट यौगिकों की पहचान की—सीज़ियम सिल्वर निकेल क्लोराइड, सीज़ियम गोल्ड निकेल क्लोराइड, और सीज़ियम मरकरी क्रोमियम क्लोराइड—जो फेरोमैग्नेटिक (ferromagnetic) होने की भविष्यवाणी करते हैं, जिसका अर्थ है कि उनके चुंबकीय क्षेत्र एक ही दिशा में संरेखित होते हैं। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि ये सामग्रियाँ अपने साथियों की तुलना में बहुत उच्च तापमान पर चुंबकीय रहने की उम्मीद रखती हैं। सीज़ियम मरकरी क्रोमियम क्लोराइड यौगिक लगभग 430 केल्विन तक चुंबकीय रहने की भविष्यवाणी करता है, जबकि अन्य दो क्रमशः लगभग 190 और 240 केल्विन तक अपनी चुंबकीय अवस्था बनाए रखने की उम्मीद रखते हैं। इससे भी अधिक आश्चर्यजनक बात यह है कि इनमें से दो उम्मीदवार, जिनमें गोल्ड और सिल्वर शामिल हैं, "हाफ-मेटालिक" (half-metallic) होने की भविष्यवाणी करते हैं। यह एक दुर्लभ अवस्था है जहाँ सामग्री एक दिशा में घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए धातु की तरह कार्य करती है लेकिन विपरीत दिशा में घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए एक इंसुलेटर (कुचालक) की तरह कार्य करती है, जिससे एक पूरी तरह से ध्रुवीकृत धारा उत्पन्न होती है।
शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि ये विशिष्ट संयोजन इतने अच्छे से क्यों काम करते हैं जबकि अन्य विफल हो जाते हैं। उन्होंने पाया कि चुंबकीय केंद्रों के बीच सेतु (bridge) के रूप में कार्य करने वाले परमाणुओं पर चुंबकीय जुड़ाव की मजबूती बहुत अधिक निर्भर करती है। सफल उम्मीदवारों में, रासायनिक बंधन एक मजबूत परस्पर क्रिया की अनुमति देते हैं जो उस थर्मल जिलिंग (thermal jiggling) का विरोध करती है जो आमतौर पर चुंबकत्व को नष्ट कर देती है। इसके विपरीत, कम सफल सामग्रियाँ चुंबकीय परमाणुओं के बीच लंबी दूरी और कमजोर रासायनिक सेतुओं से ग्रस्त होती हैं, जिससे तापमान बढ़ने पर उनका चुंबकीय क्रम जल्दी ढह जाता है। अध्ययन ने यह भी नोट किया कि कई आशाजनक उम्मीदवार अपने आकार में थोड़ा परिवर्तन करते हैं, एक पूर्ण घन (cube) से एक खिंचे हुए आयत (rectangle) में बदल जाते हैं, जो उनकी चुंबकीय अवस्था को स्थिर करने में मदद करता है। यह संरचनात्मक बदलाव परमाणुओं की इलेक्ट्रॉनिक वातावरण के प्रति एक स्वाभाविक प्रतिक्रिया है, न कि कोई दोष।
हालाँकि ये निष्कर्ष वर्तमान में कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं और अभी तक किसी भौतिक प्रयोगशाला में सत्यापित नहीं किए गए हैं, फिर भी वे भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि तत्वों को मिलाने के चयन को सावधानीपूर्वक करके, वैज्ञानिक ऐसी लेड-मुक्त सामग्रियाँ डिजाइन कर सकते हैं जो न केवल सुरक्षित हैं बल्कि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में चुंबकीय घटकों के रूप में कार्य करने में भी सक्षम हैं। इन उच्च-तापमान, हाफ-मेटालिक उम्मीदवारों की खोज स्पिनट्रॉनिक्स के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है, जो संभावित रूप से तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों की ओर ले जा सकती है। फिलहाल, यह कार्य एक महत्वपूर्ण मार्गदर्शक के रूप में कार्य करता है, जो ठीक से बताता है कि वास्तविक दुनिया में परीक्षण करने योग्य कौन से रासायनिक नुस्खे अगली पीढ़ी की सामग्रियों की चुंबकीय क्षमता को अनलॉक करने के लायक हैं।
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