Photonic Altermagnets: Magnetic Symmetries in Photonic Structures
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि फोटोनिक क्रिस्टल स्पिन-स्प्लिट बैंड्स बनाने और बिना जियोमेट्रोडायनामिक स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन के सर्कुलरली पोलराइज्ड लाइट आइसोलेशन को सक्षम करने के लिए स्पिन स्पेस ग्रुप सिमिट्रीज को होस्ट करके अल्टरमैग्नेटिज्म की नकल कर सकते हैं, जो फोटोस्पिंट्रोनिक अनुप्रयोगों के लिए एक बहुमुखी मंच प्रदान करता है।
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प्रकाश और चुंबकत्व को आमतौर पर प्राकृतिक दुनिया में अलग-अलग बलों के रूप में देखा जाता है। प्रकाश, विद्युत चुंबकीय तरंगों के रूप में, अंतरिक्ष में 'ध्रुवीकरण' (polarization) नामक एक गुण के साथ यात्रा करता है, जो इसके विद्युत क्षेत्र के कंपन की दिशा का वर्णन करता है। दूसरी ओर, चुंबकत्व सामग्रियों के भीतर सूक्ष्म चुंबकीय क्षणों (magnetic moments) के संरेखण से उत्पन्न होता है, जो अक्सर धातु को आकर्षित करने वाला एक शुद्ध खिंचाव पैदा करता है। दशकों से, वैज्ञानिक अध्ययन कर रहे हैं कि ये दो बल कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, विशेष रूप से उन सामग्रियों में जहाँ आंतरिक चुंबकीय व्यवस्था जटिल होती है। सॉलिड-स्टेट भौतिकी में एक अपेक्षाकृत नई खोज ने 'अल्टरमैग्नेट' (altermagnet) नामक एक प्रकार की चुंबकीय सामग्री का खुलासा किया है। साधारण चुंबकों के विपरीत, जिनमें एक मजबूत समग्र खिंचाव होता है, या एंटीफेरोमैग्नेट्स (antiferromagnets) के विपरीत, जहाँ विपरीत चुंबकीय बल एक-दूसरे को पूरी तरह से रद्द कर देते हैं, अल्टरमैग्नेट्स की एक अनूठी आंतरिक संरचना होती है। इनमें कोई शुद्ध चुंबकीय खिंचाव नहीं होता है, फिर भी ये उस मौलिक समरूपता (symmetry) को तोड़ते हैं जो आमतौर पर विपरीत स्पिन वाले कणों को समान रखती है। यह समरूपता का टूटना विपरीत स्पिन वाले इलेक्ट्रॉनों को अलग तरह से व्यवहार करने के लिए मजबूर करता है, जिससे उनके लिए अलग-अलग ऊर्जा पथ बनते हैं। यह गुण उन भविष्य की तकनीकों के लिए अत्यधिक मूल्यवान है जो केवल विद्युत आवेश के बजाय 'स्पिन' के माध्यम से सूचना के प्रवाह को नियंत्रित करने पर निर्भर करती हैं।
अब, शोधकर्ताओं के एक दल ने इन विलक्षण चुंबकीय व्यवहारों को प्रकाश की दुनिया में लाने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। एक विशिष्ट प्रकार की कृत्रिम सामग्री, जिसे 'फोटोनिक क्रिस्टल' कहा जाता है, को डिजाइन करके, उन्होंने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो इलेक्ट्रॉनों के बजाय फोटॉनों के लिए अल्टरमैग्नेट के व्यवहार की नकल करता है। इस नए सेटअप में, शोधकर्ताओं ने न तो चुंबकीय परमाणुओं का उपयोग किया और न ही उन भारी, सापेक्षतावादी प्रभावों (relativistic effects) पर भरोसा किया जो आमतौर पर ठोस पदार्थों में इस तरह के विभाजन का कारण बनते हैं। इसके बजाय, उन्होंने सूक्ष्म, 'कायरल' (chiral) वस्तुओं—ऐसी संरचनाएं जो अपनी दर्पण छवियों के समान नहीं होतीं—के एक पैटर्न को एक सटीक, दोहराव वाले ग्रिड में व्यवस्थित किया। उनके डिजाइन की कुंजी वस्तुओं का एक विशिष्ट विन्यास था जहाँ वस्तुओं का आकार और अभिविन्यास इस तरह बदलता था कि वह बाएं हाथ और दाएं हाथ के प्रकाश के बीच की समरूपता को तोड़ देता है, ठीक वैसे ही जैसे परमाणुओं का आंतरिक घूर्णन स्पिन-अप और स्पिन-डाउन इलेक्ट्रॉनों के बीच की समरूपता को तोड़ता है।
शोधकर्ताओं ने सिलेंडरों के एक ग्रिड से बना एक द्वि-आयामी मॉडल तैयार किया। एक मानक व्यवस्था में, उन्होंने बारी-बारी से 'हाथ की दिशा' (handedness) वाले सिलेंडर रखे, जिससे एक एंटिफेरोमैग्नेटिक फोटोनिक संस्करण बना। अल्टरमैग्नेटिक प्रभाव प्राप्त करने के लिए, उन्होंने सिलेंडरों के आकार को दीर्घवृत्त (ellipses) में बदला और विशिष्ट सिलेंडरों को नब्बे डिग्री घुमा दिया। इस ज्यामितीय मोड़ का अर्थ था कि सामग्री प्रकाश के प्रति अलग तरह से प्रतिक्रिया करती थी, यह इस बात पर निर्भर करते हुए कि वह किस दिशा में यात्रा करता है, जिससे उस विसंगति (degeneracy) को दूर किया जा सका जो आमतौर पर बाएं- और दाएं-वृत्तीय ध्रुवीकृत प्रकाश को एक ही ऊर्जा स्तर पर रखती है। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, टीम ने प्रदर्शित किया कि इस व्यवस्था ने प्रकाश के लिए "स्पिन-स्प्लिट बैंड" (spin-split bands) बनाए। सरल शब्दों में, विपरीत वृत्तीय ध्रुवीकरण वाली प्रकाश तरंगें, जो सामान्यतः एक ही गति से चलतीं और एक ही पथ का अनुसरण करतीं, उन्हें अलग ऊर्जा ट्रैकों पर जाने के लिए मजबूर किया गया। यह पृथक्करण बिना किसी भारी स्पिन-ऑर्बिट इंटरैक्शन के हुआ, जिसकी आमतौर पर सॉलिड-स्टेट भौतिकी में आवश्यकता होती है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह प्रभाव पूरी तरह से संरचना की समरूपता से आता है।
इस विभाजन के परिणाम इस बात में दिखाई देते हैं कि प्रकाश इस सामग्री के माध्यम से कैसे चलता है। जब प्रकाश की एक किरण इस इंजीनियर क्रिस्टल में प्रवेश करती है, तो वह केवल एक इकाई के रूप में गुजरती या परावर्तित नहीं होती है। इसके बजाय, किरण अपने ध्रुवीकरण के आधार पर दो अलग-अलग पथों में विभाजित हो जाती है। एक प्रकार के वृत्तीय ध्रुवीकरण वाला प्रकाश एक दिशा में झुकता है, जबकि दूसरे प्रकार का ध्रुवीकरण वाला प्रकाश दूसरी दिशा में झुकता है। यह घटना, जिसे लेखकों ने 'फोटोनिक स्पिन-स्प्लिटर प्रभाव' कहा है, इस सामग्री को एक ऐसे फिल्टर के रूप में कार्य करने की अनुमति देती है जो केवल प्रकाश के अंतर्निहित घुमाव के आधार पर विभिन्न प्रकार के प्रकाश को अलग करती है। इसके अलावा, सिमुलेशन ने दिखाया कि सामग्री यात्रा की विशिष्ट दिशाओं के लिए एक आदर्श फिल्टर के रूप में कार्य कर सकती है। यदि प्रकाश एक निश्चित कोण से क्रिस्टल की ओर आता है, तो सामग्री केवल एक प्रकार के ध्रुवीकरण को गुजरने देगी और दूसरे को पूरी तरह से परावर्तित कर देगी। उल्लेखनीय रूप से, परावर्तित प्रकाश ने अपनी मूल 'हाथ की दिशा' को बनाए रखा, जिसका अर्थ है कि क्रिस्टल एक ऐसे दर्पण के रूप में कार्य कर सकता है जो एक प्रकार के प्रकाश को चुनिly रूप से वापस उछालता है और दूसरे को गुजरने देता है, और यह सब बिना किसी ऊर्जा को अवशोषित किए करता है।
यह कार्य सुझाव देता है कि फोटोनिक क्रिस्टल अल्टरमैग्नेटिज्म के उभरते क्षेत्र के लिए एक बहुमुखी परीक्षण स्थल के रूप में कार्य कर सकते हैं। क्योंकि इन संरचनाओं में प्रकाश का व्यवहार सटीक रूप से नियंत्रित और देखा जा सकता है, शोधकर्ता अब वास्तविक चुंबकीय सामग्रियों से जुड़ी प्रयोगात्मक कठिनाइयों के बिना अल्टरमैग्नेटिक प्रणालियों के जटिल परिवहन गुणों का अध्ययन कर सकते हैं। केवल ज्यामितीय समरूपता का उपयोग करके प्रकाश को उसके ध्रुवीकरण के आधार पर अलग करने की क्षमता ऑप्टिकल उपकरणों के लिए नए द्वार खोलती है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह दृष्टिकोण प्रकाश के लिए एकीकृत सर्किट (integrated circuits) के विकास की ओर ले जा सकता है जो सूचना को ध्रुवीकरण के आधार पर संचालित करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे इलेक्ट्रॉनिक सर्किट आवेश को संचालित करते हैं। चुंबकीय सामग्रियों के समरूपता सिद्धांतों को प्रकाश के क्षेत्र में अनुवादित करके, यह अध्ययन उन ऑप्टिकल घटकों को डिजाइन करने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो जटिल चुंबकीय अंतःक्रियाओं की आवश्यकता के बिना प्रकाश को अलग करने, फ़िल्टर करने और निर्देशित करने में सक्षम हैं।
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