Plasmonic Metasurfaces for Magnetic Skyrmion Control via the Inverse Faraday Effect
यह शोध पत्र एक मैग्नेटो-प्लाज्मोनिक मेटासरफेस का उपयोग करके चुंबकीय स्काईर्मियन्स (skyrmions) को लिखने और मिटाने के लिए एक नियतात्मक (deterministic), अति-तीव्र (ultrafast), पूर्णतः-ऑप्टिकल विधि को प्रदर्शित करता है जो सिंक्रोनाइज्ड पिकोसेकंड चुंबकीय क्षेत्र स्पंदों (pulses) को उत्पन्न करने के लिए इन्वर्स फैराडे प्रभाव का लाभ उठाता है, जिससे उच्च-गति टोपोलॉजिकल डेटा स्टोरेज के लिए थर्मल उत्तेजना की स्टोकेस्टिक सीमाओं को दूर किया जा सके।
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तेज़, छोटे और अधिक कुशल कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से कुछ विशेष सामग्रियों के भीतर पाए जाने वाले सूक्ष्म चुंबकीय भंवरों की ओर देख रहे हैं। ये भंवर, जिन्हें मैग्नेटिक स्काईर्मियन्स (magnetic skyrmions) कहा जाता है, चुंबकत्व के स्थिर, कण-जैसे गांठ होते हैं जिन्हें डेटा संग्रहीत करने के लिए एक साथ कसकर पैक किया जा सकता है। क्योंकि ये इतने छोटे हैं और इन्हें चलाने के लिए बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए इन्हें अगली पीढ़ी के मेमोरी उपकरणों और कंप्यूटिंग प्रणालियों के लिए आदर्श उम्मीदवार माना जाता है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा इनके उपयोग के रास्ते में खड़ी रही है: जबकि वैज्ञानिक इन चुंबकीय गांठों को इधर-उधर घुमा सकते हैं, उन्हें आवश्यकतानुसार बनाना या नष्ट करना कठिन रहा है। मौजूदा तरीके अक्सर सामग्री को गर्म करने पर निर्भर करते हैं, जो एक अनिश्चित प्रक्रिया है और नाजुक संरचनाओं को नुकसान पहुँचा सकती है। यह ताजी हवा के झोंके से ताश के पत्तों का घर बनाने की कोशिश करने जैसा है; आप पत्तों को हिला तो सकते हैं, लेकिन आप यह गारंटी नहीं दे सकते कि वे ठीक कहाँ गिरेंगे या पूरे ढांचे को गिराए बिना आप उन्हें कैसे अलग कर पाएंगे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन चुंबकीय गांठों को संभालने का एक अलग तरीका प्रस्तावित किया है, जो गर्मी के बिना केवल प्रकाश का उपयोग करता है। चांदी के डिस्क के एक विशेष पैटर्न को एक चुंबकीय फिल्म के साथ जोड़कर, उन्होंने मात्र ट्रिलियनवें हिस्से के सेकंड में इन चुंबकीय संरचनाओं को लिखने, मिटाने और नया आकार देने का प्रदर्शन किया। इस प्रक्रिया की कुंजी 'इनवर्स फैराडे इफेक्ट' (inverse Faraday effect) नामक घटना है। जब गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश (circularly polarized light)—वह प्रकाश जो यात्रा करते समय घूमता है—चांदी के डिस्क पर पड़ता है, तो यह केवल उन्हें गर्म नहीं करता है। इसके बजाय, यह धातु के भीतर इलेक्ट्रॉनों को एक तंग, गोलाकार लूप में बहने के लिए धकेलता है। यह बहती हुई बिजली धातु की सतह पर ही एक शक्तिशाली, स्थानीयकृत चुंबकीय स्पल्स (pulse) उत्पन्न करती है। यह स्पल्स इतनी शक्तिशाली होती है कि वह बगल की फिल्म में चुंबकीय क्षणों (magnetic moments) को मरोड़ देती है, जिससे एक स्काईर्मियन बनता है या, यदि प्रकाश को अलग तरह से ट्यून किया गया हो, तो इस मरोड़ को उलट देती है और फिल्म को वापस एक सपाट, समान अवस्था में ले आती है।
शोधकर्ताओं ने चांदी के नैनो-डिस्क के हेक्सागोनल ग्रिड से ढकी एक सतह को डिजाइन किया, जिनमें से प्रत्येक लगभग 120 नैनोमीटर चौड़ी है। उन्होंने इस विशिष्ट व्यवस्था को इसलिए चुना क्योंकि यह एक 'रेजोनेंस' (resonance) पैदा करती है, एक ऐसी स्थिति जहाँ प्रकाश तरंगें पूर्ण तालमेल में इधर-उधर उछलती हैं, जिससे प्रभाव बहुत बढ़ जाता है। जब उन्होंने इस सतह पर एक विशिष्ट घूमने की दिशा वाला लेजर पल्स डाला, तो चांदी के डिस्क ने लगभग 0.6 टेस्ला तक पहुँचने वाला एक चुंबकीय क्षेत्र स्पल्स उत्पन्न किया। यह स्पल्स सीधे कोबाल्ट, एल्युमीनियम और प्लैटिनम की परतों से बनी एक चुंबकीय फिल्म को दिया गया, जो इन डिस्क के ठीक ऊपर स्थित थी। कंप्यूटर सिमुलेशन में, जिसने इन सामग्रियों के व्यवहार का मॉडल तैयार किया था, दिखाया गया कि केवल 20 पिकोसेकंड का एक एकल लेजर पल्स एक स्थिर स्काईर्मियन बनाने के लिए पर्याप्त था। यह प्रक्रिया यादृच्छिक (random) नहीं थी; प्रकाश के घूमने की दिशा ने सटीक रूप से निर्धारित किया कि चुंबकीय गांठ कैसे बनेगी।
यह खोज विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि इसमें प्रक्रिया को उलटने की क्षमता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल प्रकाश की स्पिन दिशा को बदलकर, वे चुंबकीय गांठ के भाग्य को नियंत्रित कर सकते थे। यदि चुंबकीय फिल्म को एक कमजोर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा थाम कर रखा गया था, तो विपरीत दिशा वाला प्रकाश स्पल्स स्काईर्मियन को पूरी तरह से खोल देता, उसे मिटा देता और फिल्म को बिल्कुल चिकना और नए डेटा के लिए तैयार छोड़ देता। यह सूचना को मिटाने का एक गैर-विनाशकारी तरीका प्रदान करता है, जो पिछले थर्मल तरीकों में गायब था। इससे भी अधिक आश्चर्यजनक बात यह है कि यदि शोधकर्ताओं ने उस थामने वाले चुंबकीय क्षेत्र को हटा दिया, तो वही विपरीत प्रकाश स्पल्स स्काईर्मियन को मिटाता नहीं था। इसके बजाय, इसने एकल गांठ को एक अधिक जटिल संरचना में बदल दिया जिसे 'स्काईर्मियोनियम' (skyrmionium) कहा जाता है, जो चुंबकत्व के दो संकेंद्रित छल्लों से बना होता है। विभिन्न टोपोलॉजिकल अवस्थाओं के बीच स्विच करने की यह क्षमता—एक गांठ बनाना, उसे मिटाना, या उसे दोहरे-छल्ले वाली संरचना में बदलना—सुझाव देती है कि एक ही स्थान पर सूचना के कई बिट्स को संग्रहीत करने का एक नया तरीका संभव है।
सिमुलेशन ने दिखाया कि यह पूरा चक्र पिकोसेकंड के टाइमस्केल पर होता है, जो आधुनिक कंप्यूटर प्रोसेसरों की गति से हजार गुना तेज़ है। यह प्रक्रिया इस बात पर निर्भर करती है कि प्रकाश एक क्षणिक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है जो सामग्री को एक विशिष्ट पथ के माध्यम से निर्देशित करता है: पहले चुंबकत्व की एक अस्थायी रिंग बनाना, जो फिर एक स्थिर गांठ में बदल जाती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उनका कार्य वास्तविक भौतिक गुणों का उपयोग करके विस्तृत कंप्यूटर मॉडलिंग के माध्यम से किया गया था, लेकिन इसमें शामिल भौतिकी अच्छी तरह से समझी जा चुकी है। उन्होंने ऊर्जा की आवश्यकता से जुड़ी चिंताओं को भी संबोधित किया, यह बताते हुए कि वास्तविक दुनिया के प्रयोग में आवश्यक लेजर पावर उनके सिमुलेशन के सुझाव की तुलना में बहुत कम होने की संभावना है, जिससे नाजुक चांदी की संरचनाएं सुरक्षित रहती हैं। यह सिद्ध करके कि प्रकाश सीधे और उत्क्रमणीय रूप से (reversibly) गर्मी के बिना इन चुंबकीय बनावटों को नियंत्रित कर सकता है, यह कार्य उच्च-गति, पुन: विन्यास योग्य (reconfigurable) उपकरणों के लिए एक मार्ग खोलता है जो हमारे सूचना को संग्रहीत करने और संसाधित करने के तरीके में क्रांति ला सकते हैं।
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