Dynamics of current-induced switching in the quantum anomalous Hall effect
यह अध्ययन समय-समाधानित (time-resolved) मापों का उपयोग करके यह प्रदर्शित करता है कि क्वांटम अनोमल हॉल प्रणालियों में धारा-प्रेरित चुंबकत्व उत्क्रमण (magnetization reversal) एक अव्यवस्थित चुंबकीय परिदृश्य के भीतर जूल हीटिंग द्वारा संचालित एक तापीय रूप से सक्रिय प्रक्रिया है, जो चिरल एज अवस्थाओं (chiral edge states) के नियंत्रित हेरफेर को सक्षम बनाता है।
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कुछ विशेष सामग्रियों की सूक्ष्म दुनिया में, बिजली बिना किसी ऊर्जा हानि के बह सकती है, जो आमतौर पर अत्यधिक ठंडे तापमान और शक्तिशाली चुंबकों की आवश्यकता वाले एक परिघटना है। वैज्ञानिकों ने इस अवस्था को प्राप्त करने का एक तरीका खोज निकाला है, जिसे क्वांटम अनोमलस हॉल प्रभाव (quantum anomalous Hall effect) के रूप में जाना जाता है, जिसमें एक विशिष्ट प्रकार की चुंबकीय सामग्री का उपयोग किया जाता है जो इलेक्ट्रॉनों के लिए एक वन-वे स्ट्रीट (एकतरफा रास्ते) की तरह कार्य करती है। इस अवस्था में, इलेक्ट्रॉनों को सामग्री के बिल्कुल किनारे के साथ यात्रा करने के लिए मजबूर किया जाता है, जिससे वे बीच के हिस्से को पूरी तरह से छोड़ देते हैं। उनकी यात्रा की दिशा सामग्री के आंतरिक चुंबकीय संरेखण द्वारा निर्धारित होती है। यदि चुंबकीय दिशा बदलती है, तो इलेक्ट्रॉन तुरंत किनारे के साथ अपना पथ उलट देते हैं। यह व्यवहार इन सामग्रियों को भविष्य की तकनीकों, जैसे कि अति-तीव्र कंप्यूटर या संवेदनशील माप उपकरणों के लिए अविश्वसनीय रूप से आशाजनक बनाता है, क्योंकि ये ऐसे इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने की अनुमति दे सकते हैं जहाँ सूचना एक नियंत्रित, घर्षण रहित तरीके से प्रवाहित होती है। हालाँकि, इन सामग्रियों का प्रभावी ढंग से उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को यह समझने की आवश्यकता है कि उस चुंबकीय दिशा को आदेशानुसार कैसे बदला जाए, और इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह स्विचिंग कितनी तेजी से और किस तंत्र के माध्यम से होती है।
यूनिवर्सिटी ऑफ कोलोन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में बिस्मथ, एंटीमनी और टेल्यूरियम से बनी, जिसमें वैनेडियम मिलाया गया है, एक सामग्री का उपयोग करके वास्तविक समय में इस स्विचिंग प्रक्रिया को देखने का प्रयास किया। उन्होंने इस सामग्री से छोटे उपकरण बनाए और उन्हें परम शून्य तापमान से केवल एक अंश ऊपर के तापमान पर ठंडे किए गए रेफ्रिजरेटर में रखा। उनका लक्ष्य यह देखना था कि जब वे उपकरण के माध्यम से बिजली का एक अचानक, शक्तिशाली विस्फोट भेजते हैं तो क्या होता है। एक स्थिर प्रवाह के बजाय, उन्होंने वोल्टेज के छोटे पल्स (स्पंदन) लागू किए, जो अविश्वसनीय रूप से संक्षिप्त नैनोसेकंड से लेकर लंबे माइक्रोसेकंड तक थे, और प्रत्येक पल्स के बीच विद्युत प्रतिरोध में होने वाले परिवर्तन को मापा। प्रतिरोध को समय के साथ बदलते हुए देखकर, वे ठीक से मानचित्रित कर सके कि सामग्री की चुंबकीय दिशा कैसे पलट रही है।
परिणामों ने खुलासा किया कि यह एक ऐसी प्रक्रिया है जो चलते हुए इलेक्ट्रॉनों के सीधे धक्के के बजाय ऊष्मा (गर्मी) द्वारा संचालित होती है। जब शोधकर्ताओं ने सामग्री के माध्यम से एक उच्च-वोल्टेज पल्स भेजी, तो बिजली ने काफी मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न की, जिससे सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों का तापमान आसपास की क्रिस्टल संरचना के तापमान से बहुत ऊपर बढ़ गया। थर्मल ऊर्जा के इस अचानक उछाल ने चुंबकीय क्षेत्रों को सामग्री के भीतर अपने प्राकृतिक प्रतिरोध को पार करने और अपनी दिशा बदलने की अनुमति दी। शोधकर्ताओं ने पाया कि पूरी चुंबकीय दिशा को उलटने में लगने वाला समय इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता था कि कितना वोल्टेज लगाया गया था और वहां कितना विपरीत चुंबकीय क्षेत्र मौजूद था। उच्च वोल्टेज के साथ, स्विचिंग बहुत तेज हो गई, जो सौ सेकंड से अधिक समय लेने से घटकर केवल कुछ माइक्रोसेकंड में आ गई।
महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने प्रदर्शित किया कि यह स्विचिंग तंत्र इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह द्वारा चुंबकीय परमाणुओं को भौतिक रूप से धकेलने के कारण नहीं है, जो कि 'स्पिन-ट्रांसफर टॉर्क' नामक एक सिद्धांत है जिसे अन्य अध्ययनों में सुझाया गया है। उनके प्रयोगों ने दिखाया कि करंट (धारा) की दिशा मायने नहीं रखती थी, और स्विचिंग केवल तभी हुई जब चुंबकीय क्षेत्र उस दिशा में था जो सामग्री के प्राकृतिक चुंबकत्व का विरोध करता था, जो कि एक थर्मल प्रक्रिया के अनुरूप है। डेटा एक ऐसे मॉडल के अनुकूल था जहाँ विद्युत पल्स द्वारा उत्पन्न ऊष्मा एक ट्रिगर के रूप में कार्य करती है, जिससे चुंबकीय डोमेन एक-एक करके पलट जाते हैं जब तक कि पूरा नमूना उलट न जाए। इस खोज ने स्पष्ट किया कि इन विशिष्ट उपकरणों में, इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को नियंत्रित करने की कुंजी करंट से उत्पन्न होने वाली ऊष्मा का प्रबंधन करना है।
अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि सामग्री के भीतर चुंबकीय परिदृश्य काफी अव्यवस्थित है, जो कई छोटे, स्वतंत्र क्षेत्रों से बना है जो अलग-अलग दरों पर स्विच होते हैं। यह अव्यवस्था इस पूरी स्विचिंग प्रक्रिया को एक विशिष्ट पैटर्न का पालन करने के लिए प्रेरित करती है जहाँ उलटने की गति एक साथ होने के बजाय धीरे-धीरे बदलती है। यह समझकर कि स्विचिंग थर्मल रूप से सक्रिय है, शोधकर्ताओं ने इन एज स्टेट्स (किनारे की अवस्थाओं) को अधिक सटीकता से नियंत्रित करने का मार्ग प्रशस्त किया है। वे सुझाव देते हैं कि भविष्य में, विशिष्ट, सूक्ष्म क्षेत्रों में चुंबकत्व को स्विच करने के लिए स्थानीयकृत ऊष्मीय ऊर्जा (localized heating) का उपयोग करना संभव हो सकता है, जिससे इच्छानुसार चुंबकीय सीमाओं को बनाना और हिलाना संभव होगा। नियंत्रण का यह स्तर उन नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक घटकों को विकसित करने के लिए आवश्यक हो सकता है जो इन क्वांटम सामग्रियों के अद्वितीय गुणों पर निर्भर करते हैं।
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