Exciton-polariton condensate in the van der Waals magnet CrSBr

पदार्थ विज्ञान की सूक्ष्म दुनिया में, शोधकर्ता लगातार ऐसी सामग्रियों की खोज कर रहे हैं जो एक साथ दो काम कर सकें: एक अर्धचालक (semiconductor) की तरह बिजली का संचालन करना और एक चुंबक की तरह चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया देना। दशकों तक, ये दोनों गुण अक्सर अलग-अलग सामग्रियों में पाए जाते थे, जिससे ऐसे उपकरण बनाना कठिन हो जाता था जहाँ प्रकाश, बिजली और चुंबकत्व एक साथ सहजता से काम कर सकें। हाल ही में, 'वांडर वाल्स मैग्नेट' (van der Waals magnets) नामक सामग्रियों का एक नया परिवार उभरा है। ये ऐसे क्रिस्टल हैं जो कमजोर बलों द्वारा जुड़े पतले परतों से बने होते हैं, जिससे वैज्ञानिक इन्हें एक किताब के पन्नों की तरह तब तक अलग कर सकते हैं जब तक कि वे केवल कुछ परमाणु जितने पतले न हो जाएं। इनमें से, CrSBr नामक एक सामग्री विशेष ध्यान का केंद्र बन गई है क्योंकि यह सामान्य हवा में स्थिर रहती है और एक अर्धचालक के रूप में व्यवहार करती है जबकि इसमें एक मजबूत आंतरिक चुंबकीय व्यवस्था भी होती है। हालिया शोध को प्रेरित करने वाला केंद्रीय प्रश्न यह है कि क्या हम इन चुंबकीय क्रिस्टल के भीतर प्रकाश और पदार्थ को इतनी तीव्रता से परस्पर क्रिया करा सकते हैं कि वे एक नई अवस्था का निर्माण करें, जहाँ क्रिस्टल के चुंबकीय गुण सीधे इस बात को नियंत्रित कर सकें कि प्रकाश कैसे व्यवहार करता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह प्रदर्शित किया है कि यह संभव है। उन्होंने CrSBR क्रिस्टल का एक पतला टुकड़ा लिया और उसे एक विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए ऑप्टिकल कैविटी (optical cavity) के भीतर रखा, जो वास्तव में दो अत्यधिक परावर्तक दर्पणों से बना प्रकाश का एक जाल है। पूरे सेटअप को 3.5 केल्विन के अत्यंत ठंडे तापमान तक ठंडा करके और दर्पणों के बीच की दूरी को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने प्रकाश को क्रिस्टल के भीतर की उत्तेजनाओं (excitations) के साथ मिश्रित होने के लिए मजबूर किया। जब प्रकाश और पदार्थ इस तरह से मिश्रित होते हैं, तो वे 'एक्सिटोन-पोलरिटन' (exciton-polaritons) नामक नए कण बनाते हैं। ये हाइब्रिड इकाइयाँ हैं जो आंशिक रूप से प्रकाश और आंशिक रूप से पदार्थ से बनी होती हैं, जो एक तरल की तरह व्यवहार करती हैं जो बह सकता है और परस्पर क्रिया कर सकता है। शोधकर्ता सफलतापूर्वक इस तरल को संघनन (condensation) की अवस्था में धकेलने में सफल रहे, जो एक ऐसी घटना है जहाँ इन कणों की एक बड़ी संख्या एक एकल, सुसंगत क्वांटम अवस्था में एक साथ जुड़ जाती है, जो बिल्कुल वैसे ही है जैसे जल वाष्प एक एकल तरल बूंद में बदल जाता है, लेकिन यह स्तर प्रकाश और पदार्थ के क्वांटम स्तर पर होता है।

इस कार्य की सबसे महत्वपूर्ण खोज यह है कि क्रिस्टल की चुंबकीय अवस्था इस प्रकाश तरल के व्यवहार को कैसे निर्धारित करती है। CrSBr क्रिस्टल में एक प्राकृतिक चुंबकीय व्यवस्था होती है जहाँ इसके परमाणुओं के स्पिन विपरीत दिशाओं में संकेत करते हैं, जिसे 'एंटीफेरोमैग्नेटिक' (antiferromagnetic) क्रम कहा जाता है। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो वे परमाणुओं को एक ही दिशा में संरेखित करने के लिए मजबूर कर सके, जिससे क्रिस्टल 'फेरोमैग्नेटिक' (ferromagnetic) क्रम में बदल गया। उन्होंने पाया कि इस बदलाव ने इस तरह से प्रकाश तरल की परस्पर क्रिया को पूरी तरह से बदल दिया। अपनी प्राकृतिक एंटीफेरोमैग्नेटिक अवस्था में, तरल के कण एक-दूसरे को आकर्षित करते थे, जिससे अधिक कण जुड़ने पर प्रकाश की ऊर्जा कम हो जाती थी। लेकिन जब चुंबकीय क्षेत्र ने क्रिस्टल को फेरोमैग्नेटिक अवस्था में बदल दिया, तो परस्पर क्रिया उलट गई: कण एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करने लगे, जिससे प्रकाश की ऊर्जा बढ़ने लगी। चुंबकीय क्षेत्र को बदलकर आकर्षण और प्रतिकर्षण के बीच स्विच करने की यह क्षमता एक दुर्लभ और शक्तिशाली प्रभाव है, जो यह सुझाव देती है कि क्रिस्टल का चुंबकीय क्रम सीधे प्रकाश कणों के बीच लगने वाले बलों को नियंत्रित करता है।

यह सिद्ध करने के लिए कि उन्होंने वास्तव में एक संघनन (condensate) बनाया है न कि केवल एक चमकदार प्रकाश स्रोत, शोधकर्ताओं ने क्वांटम सुसंगतता (quantum coherence) के विशिष्ट संकेतों की तलाश की। उन्होंने अंतरिक्ष और समय में प्रकाश तरंगों के एक-दूसरे के साथ संरेखण को मापा। एक निश्चित शक्ति स्तर से नीचे, क्रिस्टल से उत्सर्जित प्रकाश अराजक और अव्यवस्थित था। लेकिन जैसे ही पंप पावर लगभग 16 मिलीवाट की एक विशिष्ट सीमा को पार कर गई, प्रकाश अचानक अत्यधिक संगठित हो गया। शोधकर्ताओं ने देखा कि प्रकाश तरंगें तालमेल में चलने लगीं, जिससे एक सुसंगत बीम बनी जो पूरे नमूने में फैल गई। उन्होंने फोटॉन के सांख्यिकीय गुणों को भी मापा, जिससे पता चला कि वे एक यादृच्छिक, तापीय वितरण से एक अधिक व्यवस्थित पैटर्न की ओर परिवर्तित हो गए जो एक सुसंगत क्वांटम अवस्था की विशेषता है। इन मापों ने पुष्टि की कि प्रणाली ने एक मैक्रोस्कोपिक क्वांटम तरल में चरण संक्रमण (phase transition) किया था।

शोधकर्ताओं ने इस अजीब बदलाव के पीछे के तंत्र की भी जांच की। उन्होंने निर्धारित किया कि आकर्षण से प्रतिकर्षण की ओर यह बदलाव इस बात से प्रेरित था कि चुंबकीय क्रम ने इलेक्ट्रॉनों की गति और क्रिस्टल जाली (lattice) के कंपन को कैसे प्रभावित किया। एंटीफेरोमैग्नेटिक अवस्था में, क्रिस्टल के भीतर चुंबकीय तरंगों, या 'मैग्नॉन' (magnons) की उपस्थिति ने, प्रकाश-पदार्थ कणों के बीच एक आकर्षक बल पैदा किया। जब चुंबकीय क्षेत्र ने क्रिस्टल को फेरोमैग्नेटिक अवस्था में बदला, तो इन चुंबकीय तरंगों को दबा दिया गया, और कणों के बीच के प्राकृतिक प्रतिकर्षण बलों ने नियंत्रण ले लिया। यह निष्कर्ष चुंबकीय क्रम और एक प्रकाश तरल के सामूहिक व्यवहार के बीच एक सीधा संबंध प्रदान करता है, यह दर्शाता है कि ठोस के आंतरिक चुंबकत्व का उपयोग संघनन पर कार्य करने वाले मौलिक बलों को ट्यून करने के लिए एक डायल के रूप में किया जा सकता है।

यह कार्य उन उपकरणों के विकास के लिए एक नया मार्ग खोलता है जहाँ चुंबकत्व और प्रकाश गहराई से जुड़े हुए हैं। चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके प्रकाश तरल के भीतर की परस्पर क्रियाओं को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक संभावित रूप से वर्तमान प्रौद्योगिकियों की तुलना में बहुत अधिक कुशल ऑप्टिकल स्विच या लॉजिक गेट बना सकते हैं। बोस-आइंस्टीन कंडेंसेट (Bose-Einstein condensate) बनाने की क्षमता—एक ऐसी अवस्था जहाँ कण एक एकल क्वांटम इकाई के रूप में कार्य करते हैं—एक चुंबकीय अर्धचालक के भीतर, यह सुझाव देती है कि हम "ऑप्टोमैग्नोनिक" (optomagnonic) उपकरणों के युग में प्रवेश कर रहे हैं। ये भविष्य के उपकरण इलेक्ट्रॉन के स्पिन को सीधे ऑन-चिप प्रकाश स्रोतों से जोड़ सकते हैं, जिससे सूचना को संसाधित करने या अभूतपूर्व संवेदनशीलता के साथ चुंबकीय क्षेत्रों को महसूस करने के नए तरीके सक्षम होंगे। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि वांडर वाल्स मैग्नेट CrSBr एक अनूठा मंच है जहाँ फोटॉन, चुंबकीय तरंगों और एक्सिटोन के जटिल नृत्य को देखा और नियंत्रित किया जा सकता है, जो चुंबकीय क्षेत्रों के साथ क्वांटम तरलों को नियंत्रित करने की एक ठोस राह प्रदान करता है।