🔬 mesoscale physics

Anomalous phase shift and superconducting diode effect in Josephson junctions via thin films of rare-earth intermetallic magnets

यह शोध पत्र सैद्धांतिक रूप से प्रदर्शित करता है कि दुर्लभ-पृथ्वी इंटरमेटालिक चुंबक $\mathrm{GdIr_2Si_2}$ की अति-पतली फिल्मों को सम्मिलित करने वाले जोसेफसन जंक्शन एक महत्वपूर्ण असामान्य चरण बदलाव (anomalous phase shift) और एक ट्यूनेबल सुपरकंडक्टिंग डायोड प्रभाव प्रदर्शित करते हैं, जो सुपरकंडक्टिंग मेमोरी और लॉजिक अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक संभावनाएं प्रदान करते हैं।

मूल लेखक: G. A. Bobkov, I. A. Shvets, I. V. Bobkova, A. M. Bobkov, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov

प्रकाशित 2026-05-13

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CC BY 4.0

मूल लेखक: G. A. Bobkov, I. A. Shvets, I. V. Bobkova, A. M. Bobkov, S. V. Eremeev, E. V. Chulkov

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

एक सुपरकंडक्टर (अतिचालक) की कल्पना एक सुपर-हाईवे के रूप में करें जहाँ बिजली बिना किसी घर्षण या ट्रैफिक जाम के बहती है। आमतौर पर, यदि आप इन दो सुपर-हाईवे को एक छोटे पुल (एक "जोसेफसन जंक्शन") से जोड़ते हैं, तो यातायात दोनों दिशाओं में समान रूप से प्रवाहित होता है। यह एक दो-तरफा सड़क की तरह है जहाँ उत्तर या दक्षिण जाने के लिए गति सीमा एक समान है।

हालाँकि, यह शोध पत्र एक विशेष प्रकार के पुल के बारे में बताता है जो नियमों को तोड़ता है। यह बिजली के लिए एक "एक-तरफा सड़क" बनाता है, और इसके लिए किसी बाहरी चुंबक या बैटरी के धक्के की आवश्यकता नहीं होती है। इसे जोसेफसन डायोड प्रभाव (Josephson diode effect) कहा जाता है।

यहाँ बताया गया है कि शोधकर्ताओं ने इस विशेष पुल को कैसे बनाया और उन्हें क्या मिला, जिसे सरल भाषा में समझाया गया है:

1. विशेष पुल की सामग्री

इस एक-तरफा पुल को बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने किसी मानक धातु का उपयोग नहीं किया। उन्होंने GdIr₂Si₂ (गैडोलीनियम-इरिडियम-सिलिकॉन) नामक सामग्री की एक बहुत पतली, सूक्ष्म फिल्म का उपयोग किया।

इसे ऐसे समझें: कल्पना कीजिए कि एक सैंडविच है जहाँ ब्रेड सुपरकंडक्टर (हाईवे) है और फिलिंग (बीच का हिस्सा) यह विशेष चुंबकीय फिल्म है।
यह फिलिंग दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं (rare-earth metals) से बनी है। इसमें दो विशेष "सुपरपावर" हैं जो इसे अद्वितीय बनाती हैं:
1. मजबूत चुंबकत्व: यह एक छोटे, आंतरिक चुंबक की तरह कार्य करता है।
2. स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग (Spin-Orbit Coupling): यह कहने का एक फैंसी तरीका है कि इसके अंदर के इलेक्ट्रॉन चलते समय "मुड़ते" हैं, जैसे कि एक कॉर्कस्क्रू (corkscrew)।

2. "एनोमलस फेज शिफ्ट" (झुका हुआ शुरुआती बिंदु)

एक सामान्य पुल में, "ग्राउंड स्टेट" (विश्राम अवस्था) पूरी तरह से सीधी होती है। लेकिन इस विशेष पुल में, विश्राम की स्थिति थोड़ी झुकी हुई होती है।

उपमा: एक पेंडुलम की कल्पना करें। एक सामान्य घड़ी में, यह सीधा नीचे लटका होता है। इस विशेष जंक्शन में, पेंडुलम स्वाभाविक रूप से थोड़ा बाईं या दाईं ओर झुकना चाहता है, भले ही उसे कोई धक्का न दे रहा हो।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह "झुकाव" (जिसे फेज शिफ्ट, $\phi_0$ कहा जाता है) स्थिर नहीं है। यह इस बात पर निर्भर करता है कि पुल के अंदर का आंतरिक चुंबक किस दिशा में इशारा कर रहा है। यदि आप चुंबक को थोड़ा घुमाते हैं, तो झुकाव बदल जाता है।

3. एक-तरफा सड़क (डायोड प्रभाव)

उस झुकाव और मुड़ते हुए इलेक्ट्रॉनों के कारण, यह पुल एक डायोड (एक एक-तरफा वाल्व) की तरह व्यवहार करता है।

उपमा: मेट्रो स्टेशन पर एक टर्नस्टाइल (turnstile) की कल्पना करें। एक दिशा में धकेलना आसान है, लेकिन दूसरी दिशा में धकेलना कठिन है।
इस जंक्शन में, बिना प्रतिरोध के बहने वाली बिजली की अधिकतम मात्रा दिशा के आधार पर भिन्न होती है।
- "उत्तर" की ओर बहना: आप बहुत अधिक करंट (धारा) भेज सकते हैं।
- "दक्षिण" की ओर बहना: थोड़ा सा करंट भी भेजने पर यह अटक सकता है।
शोधकर्ताओं ने गणना की है कि यह अंतर महत्वपूर्ण है (लग लगभग 30% दक्षता), जिसका अर्थ है कि यह सुपर-करंट के लिए एक बहुत प्रभावी एक-तरफा सड़क है।

4. नियंत्रण के लिए "नॉब" (Knob)

सबसे रोमांचक बात यह है कि आप एक "नॉब" को घुमाकर इस एक-तरफा सड़क को नियंत्रित कर सकते हैं।

उपमा: एक डिमर स्विच की कल्पना करें, जो रोशनी को उज्ज्वल या मंद करने के बजाय, यह बदलता है कि यातायात किस दिशा में प्रवाहित होगा।
GdIr₂Si₂ फिल्म के भीतर चुंबक की दिशा को थोड़ा घुमाकर, शोधकर्ता निम्नलिखित कर सकते हैं:
- यह बदल सकते हैं कि एक-तरफा प्रभाव कितना मजबूत है।
- यहाँ तक कि दिशा को भी पलट सकते हैं (यानी "आसान" दिशा को "कठिन" दिशा बना सकते हैं)।
ऐसा इसलिए होता है क्योंकि इस सामग्री के इलेक्ट्रॉन चुंबक के कोण के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। यह एक ताले और चाबी की तरह है जहाँ चाबी (करंट) केवल तभी फिट होती है जब ताले (चुंबक) को बिल्कुल सही कोण पर घुमाया जाए।

5. यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

शोध पत्र का सुझाव है कि यह खोज भविष्य की तकनीक के लिए एक बड़ी बात है क्योंकि:

मेमोरी और लॉजिक: आप इसका उपयोग सुपर-फास्ट, सुपर-कुशल कंप्यूटर मेमोरी बनाने के लिए कर सकते हैं। चूंकि "एक-तरफा" दिशा चुंबक की स्थिति पर निर्भर करती है, इसलिए आप चुंबक की दिशा निर्धारित करके "0" या "1" को स्टोर कर सकते हैं।
बाहरी चुंबक की आवश्यकता नहीं: अन्य प्रणालियों के विपरीत जिन्हें काम करने के लिए बाहर एक विशाल चुंबक की आवश्यकता होती है, इसमें अपना आंतरिक चुंबक है, जो इसे आत्मनिर्भर बनाता है।
ट्यूनेबिलिटी (Tunability): क्योंकि प्रभाव चुंबक के छोटे से घुमाव से नाटकीय रूप से बदल जाता है, यह बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने का एक बहुत सटीक तरीका प्रदान करता है।

सारांश

शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर का उपयोग करके एक सूक्ष्म पुल का अनुकरण (simulate) किया जो सुपरकंडक्टर्स के बीच सैंडविच की गई एक दुर्लभ-पृथ्वी चुंबकीय फिल्म से बना है। उन्होंने पाया कि यह पुल स्वाभाविक रूप से अपने विश्राम की स्थिति को झुकाता है और बिजली के लिए एक एक-तरफा सड़क के रूप में कार्य करता है। केवल पुल के आंतरिक चुंबक को घुमाकर, वे नियंत्रित कर सकते हैं कि यह एक-तरफा प्रभाव कितना मजबूत है और यह किस दिशा में इंगित करता है। यह एक नए प्रकार के स्विच का निर्माण करता है जिसका उपयोग उन्नत, अल्ट्रा-फास्ट कंप्यूटिंग और मेमोरी उपकरणों के लिए किया जा सकता है।

तकनीकी सारांश: दुर्लभ-पृथ्वी इंटरमेटालिक मैग्नेट की पतली फिल्मों के माध्यम से जोसेफसन जंक्शनों में विसंगत चरण बदलाव (Anomalous Phase Shift) और सुपरकंडक्टिंग डायोड प्रभाव

समस्या विवरण
सुपरकंडक्टर/फेरोमैग्नेट/सुपरकंडक्टर (S/F/S) जोसेफसन जंक्शनों (JJs) में शून्य-क्षेत्र जोसेफसन डायोड प्रभाव और विसंगत ग्राउंड स्टेट चरण बदलाव ( $\phi_0 \neq 0, \pi$ ) का कार्यान्वयन सुपरकंडक्टिंग मेमोरी और लॉजिक अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण लक्ष्य है। जबकि स्पिन-ऑर्बिट कपल्ड (SOC) परतों (जैसे Pt, Ta, W) में प्रेरित चुंबकत्व का उपयोग करने वाली पिछली रणनीतियों ने क्षेत्र-मुक्त डायोड प्रभाव प्रदर्शित किया है, वे वास्तविक जोसेफसन-करंट-संचालित चुंबकत्व गतिकी (magnetization dynamics) की क्षमता रखने में विफल रही हैं। यह सीमा इसलिए उत्पन्न होती है क्योंकि प्रेरित चुंबकीय क्रम, आसन्न इंसुलेटिंग फेरोमैग्नेट की चुंबकीय अनिसोट्रॉपी (anisotropy) की तुलना में कमजोर होता है। इसके विपरीत, अंतर्निहित फेरोमैग्नेटिक इंटरलेयर्स के लिए सैद्धांतिक मॉडल अक्सर सरलीकृत क्वासिकलासिकल सन्निकटन (approximations) पर निर्भर करते हैं जो यथार्थवादी इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं की उपेक्षा करते हैं, जैसे कि मजबूत एक्सचेंज स्प्लिटिंग, बैंडविड्थ के तुलनीय SOC, और फर्मी स्तर पर कई इलेक्ट्रॉनिक बैंड की उपस्थिति। ऐसे लक्षित सामग्रियों की खोज की आवश्यकता है जिनमें स्वाभाविक रूप से मजबूत SOC और एक्सचेंज स्प्लिटिंग हो ताकि ट्यून करने योग्य, नॉन-वोलेटाइल $\phi_0$ -JJs को सक्षम किया जा सके।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन एक विशिष्ट उम्मीदवार सामग्री: GdIr $_2$ Si $_2$ की एक अत्यंत पतली फिल्म की जांच करने के लिए डेंसिटी फंक्शनल थ्योरी (DFT) के साथ बोगोल्युबोव-डे गेन (BdG) गणनाओं को संयोजित करते हुए एक बहु-स्तरीय सैद्धांतिक दृष्टिकोण का उपयोग करता है।

इलेक्ट्रॉनिक संरचना और चुंबकीय गुण (DFT):
- गणनाएँ VASP पैकेज का उपयोग करके की गईं जिसमें प्रोजेक्टर ऑगमेंटेड-वेव (PAW) विधि और जनरलाइज्ड ग्रेडिएंट एप्रोक्सिमेशन (GGA) का उपयोग किया गया।
- Gd-4f और Ir-5d इलेक्ट्रॉनों में मजबूत सहसंबंधों (strong correlations) को ध्यान में रखने के लिए, GGA+U विधि ( $U^* = 6$ eV Gd के लिए, $3.5$ eV Ir के लिए) लागू की गई।
- संरचनात्मक अनुकूलन के लिए वान डेर वाल्स सुधार (DFT-D3) शामिल किए गए।
- अध्ययन में विभिन्न क्रिस्टल चरणों (I-phase और P-phase) और सतह टर्मिनेशन (Si या Ir) के साथ GdIr $_2$ Si $_2$ के सममित स्लैब का विश्लेषण किया गया।
- चुंबकीय क्रम (फेरोमैग्नेटिक बनाम एंटीफेरोमैग्नेटिक, इन-प्लेन बनाम आउट-ऑफ-प्लेन) का मूल्यांकन चुंबकीय परमाणु प्रति कुल ऊर्जा, स्ट्रे फील्ड ऊर्जा सहित, की गणना करके किया गया।
प्रभावी टाइट-बाइंडिंग हैमिल्टोनियन (TBH):
- GdIr $_2$ Si $_2$ स्लैब के इलेक्ट्रॉनिक सबसिस्टम का वर्णन करने के लिए एक प्रभावी TBH का निर्माण किया गया।
- मॉडल दो कंडक्शन बैंड्स पर ध्यान केंद्रित करता है जो फर्मी स्तर को पार करते हैं, जिनमें से प्रत्येक में स्पिन-ऑर्बिट स्प्लिटिंग (निचले बैंड के लिए रैखिक राशबा-प्रकार, ऊपरी के लिए क्यूबिक) प्रदर्शित होती है।
- हैमिल्टोनियन पैरामीटर (हॉपिंग एम्प्लीट्यूड, एक्सचेंज फील्ड्स, और SOC स्थिरांक) को उच्च-समरूपता दिशाओं के साथ DFT-गणना बैंड डिस्पर्सions के विरुद्ध मीन स्क्वायर एरर को कम करने के लिए फिट किया गया।
- मॉडल में 12 निकटतम पड़ोसी हॉपिंग तत्व शामिल हैं और यह इंट्रा-बैंड और इंटर-बैंड इंटरैक्शन के साथ-साथ चुंबकत्व रोटेशन से स्वतंत्र रूप से स्पिन स्प्लिटिंग को सही ढंग से वर्णित करने के लिए एक निश्चित $z$ -अक्ष एक्सचेंज फील्ड घटक को भी ध्यान में रखता है।
जोसेफसन करंट गणना (BdG):
- S/GdIr $_2$ Si $_2$ /S जंक्शन को निर्मित TBH का उपयोग करते हुए एक वर्गाकार लैटिस पर मॉडल किया गया और सुपरकंडक्टिंग लीड्स के लिए एक मानक टाइट-बाइंडिंग मॉडल का उपयोग किया गया।
- सुपरकंडक्टिंग गैप ( $\Delta_0 = 10$ meV) और इंटरफेस हॉपिंग ( $t_{SF} = 50$ meV) के लिए विशिष्ट मापदंडों के साथ, गणनाएँ $T = 0.1\Delta_0$ पर की गईं, जिन्हें कम्प्यूटेशनल बाधाओं के बावजूद मजबूत गुणात्मक विशेषताओं को सुनिश्चित करने के लिए चुना गया था।

प्रमुख परिणाम

सामग्री के गुण: DFT विश्लेषण पहचानता है कि Si-टर्मिनेशन वाला I-phase GdIr $_2$ Si $_2$ फिल्म सबसे ऊर्जावान रूप से अनुकूल विन्यास है। यह लेयर्स के भीतर फेरोमैग्नेटिक संरेखण और इंटरलेयर फेरोमैग्नेटिक ऑर्डरिंग के साथ ईजी-प्लेन (easy-plane) चुंबकत्व प्रदर्शित करता है। चुंबकीय क्षण इन-प्लेन दिशा में सीमित है क्योंकि कुल अनिसोट्रॉपी ऊर्जा इन-प्लेन ओरिएंटेशन को $\approx 1$ meV/चुंबकीय परमाणु द्वारा प्राथमिकता देती है।
विसंगत चरण बदलाव ( $\phi_0$ ): गणना किए गए CPRs इकाई के क्रम के स्पष्ट विसंगत ग्राउंड स्टेट चरण बदलाव $\phi_0$ को प्रदर्शित करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, $\phi_0$ इन-प्लेन मैग्नेटाइजेशन घटक $m_y$ पर अत्यधिक गैर-मोनोटोनिक (non-monotonic) निर्भरता दिखाता है। यह सरल एक-बैंड मॉडल, जहाँ $\phi_0 \propto m_y$ होता है, के विपरीत है। यह गैर-मोनोटोनिसिटी विशिष्ट स्पिन-मोमेंटम लॉकिंग विशेषताओं वाले कई इलेक्ट्रॉनिक बैंड्स के हस्तक्षेप से उत्पन्न होती है।
जोसेफसन डायोड प्रभाव: सिस्टम एक महत्वपूर्ण सुपरकंडक्टिंग डायोड प्रभाव प्रदर्शित करता है जिसकी दक्षता $\eta \lesssim 0.3$ है। डायोड दक्षता $m_y$ के संबंध में भी गैर-मोनोटोनिक है और संकेत (sign) उलट सकती है।
अनिसोट्रॉपी और ट्यूनेबिलिटी: क्रिटिकल करंट और डायोड दक्षता दोनों ही इन-प्लेन मैग्नेटाइजेशन के ओरिएंटेशन के सापेक्ष मजबूत अनिसोट्रॉपी दिखाते हैं। चूंकि फिल्म एक ईजी-प्लेन मैग्नेट है, इसलिए मैग्नेटाइजेशन वेक्टर के छोटे रोटेशन विसंगत चरण बदलाव और डायोड दक्षता को ट्यून करने की अनुमति देते हैं।
मजबूती (Robustness): परिशिष्ट में संवेदनशीलता विश्लेषण इंगित करता है कि हालांकि डायोड दक्षता के मात्रात्मक मान सुपरकंडक्टिंग मापदंडों ( $\Delta_0, t_{SF}$ ) और तापमान पर निर्भर करते हैं, लेकिन प्रमुख गुणात्मक विशेषताएं—विशेष रूप से $m_y$ पर $\phi_0$ और $I_c$ की गैर-मोनोटोनिक निर्भरता—मजबूत बनी रहती हैं। ये विशेषताएं पूरी तरह से इंटरलेयर की अंतर्निहित इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना द्वारा निर्धारित होती हैं।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि GdIr $_2$ Si $_2$ पतली फिल्में अंतर्निहित, नॉन-वोलेटाइल डायोड प्रभावों वाले $\phi_0$ -S/F/S जोसेफसन जंक्शनों को साकार करने के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार हैं। प्राथमिक महत्व इस बात के प्रदर्शन में निहित है कि यथार्थवादी सामग्री के गुण (मजबूत एक्सचेंज स्प्लिटिंग और मल्टी-बैंड सिस्टम में SOC) मैग्नेटाइजेशन दिशा पर जोसेफसन विशेषताओं की जटिल, गैर-मोनोटोनिक निर्भरता की ओर ले जाते हैं। यह व्यवहार बताता है कि सुपरकंडक्टिंग फेज और चुंबकत्व के बीच का जुड़ाव सरलीकृत मॉडलों द्वारा अनुमानित की तुलना में कहीं अधिक समृद्ध है, जो संभावित रूप से चुंबकत्व की गतिकी पर जोसेफसन करंट के माध्यम से अधिक जटिल नियंत्रण को सक्षम करता है।

लेखक तर्क देते हैं कि LnT $_2$ X $_2$ परिवार (जहाँ Ln लैंथेनाइड है, T ट्रांजिशन मेटल है, और X एक p-एलिमेंट है) SOC शक्ति को समायोजित करने के लिए ट्रांजिशन मेटल को बदलने और चुंबकीय क्षण के ओरिएंटेशन को नियंत्रित करने के लिए लैंथेनाइड को बदलने के माध्यम से इन गुणों को ट्यून करने के लिए एक "प्लेग्राउंड" प्रदान करता है। यह कार्य उन सामग्रियों की पहचान करने के लिए एक कम्प्यूटेशनल ब्लूप्रिंट प्रदान करता जहाँ जोसेफसन करंट प्रभावी रूप से मैग्नेटाइजेशन को नियंत्रित कर सकता है और जहाँ डायोड प्रभाव की ध्रुवीयता (polarity) मैग्नेटाइजेशन दिशा द्वारा विनियमित की जा सकती है, जो सुपरकंडक्टिंग मेमोरी और लॉजिक सर्किट अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है। अध्ययन विशिष्ट प्रयोगात्मक फैब्रिकेशन प्रोटोकॉल का प्रस्ताव नहीं करता है, बल्कि समान ThCr $_2$ Si $_2$ -प्रकार की संरचनाओं में हालिया प्रगति के आधार पर मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी (MBE) के माध्यम से ऐसी फिल्मों को उगाने की व्यवहार्यता को रेखांकित करता है।