Memory of topologically constrained disorder in Shakti artificial spin ice
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि शक्ति (Shakti) कृत्रिम स्पिन आइस में टोपोलॉजिकल रूप से बाधित विकार, पारंपरिक वर्गाकार स्पिन आइस में अनुपस्थित, सुदृढ़ और अनुक्रम-निर्भर स्मृति प्रभावों को सक्षम बनाता है, जो यह प्रकट करता है कि कैसे सहसंबद्ध विकार और चक्रीय ड्राइविंग, फ्रस्ट्रेटेड कृत्रिम सामग्रियों में नियत और स्टोकेस्टिक स्मृति उत्पन्न कर सकते हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो नन्हे, अदृश्य चुंबकों से बनी है, जिनमें से प्रत्येक एक जिद्दी छोटे कंपास की सुई की तरह है जो एक विशिष्ट दिशा में संकेत देना चाहती है। भौतिकी के क्षेत्र में, इन्हें "स्पिन" कहा जाता है, और जब आप उन्हें एक ग्रिड में एक साथ पैक करते हैं, तो वे केवल चुपचाप नहीं बैठते; वे एक-दूसरे से बहस करते हैं, धकेलते हैं और खींचते हैं। कभी-कभी, वे एक आदर्श, शांतिपूर्ण व्यवस्था पा लेते हैं जहाँ हर कोई खुश होता है। अन्य समय में, वे एक अव्यवस्थित, अराजक उलझन में फंस जाते हैं जहाँ कोई भी एकल व्यवस्था सभी को संतुष्ट नहीं कर पाती। इस अव्यवस्थित अवस्था को "डिज़ऑर्डर" (disorder) या विकार कहा जाता है। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: हर अव्यवस्था समान नहीं होती। कुछ अव्यवस्था केवल यादृच्छिक शोर (random noise) की तरह होती है, जैसे रेडियो पर स्टेटिक। लेकिन अन्य अव्यवस्था "प्रतिबंधित" (constrained) होती है, जिसका अर्थ है कि अराजकता सख्त, छिपे हुए नियमों का पालन करती है, लगभग एक पहेली की तरह जहाँ टुकड़े केवल कुछ ही तरीकों से फिट हो सकते हैं। वैज्ञानिक इसे "टोपोलॉजिकल डिसऑर्डर" (topological disorder) कहते हैं।
हमें इसकी परवाह क्यों करनी चाहिए? क्योंकि इस प्रकार की प्रतिबंधित अव्यवस्था के पास एक महाशक्ति है: स्मृति (memory)। ठीक वैसे ही जैसे आप शायद उस विशिष्ट रास्ते को याद रखते होंगे जो आपने स्कूल जाने के लिए लिया था क्योंकि आपने वहां से गुजरने वाले ट्रैफिक लाइटों को देखा था, ये चुंबकीय सामग्रियां उस चुंबकीय क्षेत्र के सटीक अनुक्रम को "याद रख" सकती हैं जिसे उन्हें अनुभव किया गया था। यदि आप उन्हें एक तरफ धकेलते हैं, फिर दूसरी तरफ, तो वे एक अलग स्थान पर समाप्त हो सकते हैं यदि आपने उन्हें विपरीत क्रम में धकेला हो। यह केवल एक मजेदार करतब नहीं है; यह नए प्रकार के कंप्यूटर बनाने की कुंजी हो सकती है जो डेटा को व्यवस्थित पंक्तियों के बजाय अपनी अव्यवस्था के आकार में संग्रहीत करते हैं। बड़ा सवाल यह है: क्या यह स्मृति तब सबसे अच्छी तरह काम करती है जब सामग्री पूरी तरह से व्यवस्थित होती है, या जब यह खूबसूरती से, टोपोलॉजिकल रूप से अव्यवस्थित होती है?
यह शोध पत्र इस प्रश्न में गोता लगाता है कि वह दो अलग-अलग प्रकार के "आर्टिफिशियल स्पिन आइस" (artificial spin ice) के साथ खेलकर, जो मूल रूप से पानी की बर्फ के व्यवहार की नकल करने के लिए डिज़ाइन किए गए मानव निर्मित नन्हे चुंबकों के ग्रिड हैं, प्रयोग करता है। शोधकर्ताओं ने दो बहुत अलग खेल के मैदानों की तुलना की। पहला "स्क्वायर स्पिन आइस" (Square Spin Ice) है, एक व्यवस्थित ग्रिड जहाँ चुंबक पूर्ण वर्गों में व्यवस्थित होते हैं। दूसरा "शक्ति स्पिन आइस" (Shakti Spin Ice) है, एक अधिक जटिल, ऊबड़-खाबड़ ग्रिड जो एक शक्ति (एक हिंदू देवी) प्रतीक की तरह दिखता है, जिसे वर्ग ग्रिड से कुछ चुंबकों को हटाकर बनाया गया है। यह शक्ति ग्रिड विशेष है क्योंकि यह चुंबकों को एक "टोपोलॉजिकल डिसऑर्डर" की स्थिति में धकेलता है, जहाँ वे एक अपभ्रष्ट (degenerate), या समान रूप से सुखी, अव्यवस्था में फंसे होते हैं।
टीम ने, प्रियंका प्रियंका, क्रिस्टियानो निसोली और यायर शोकेफ के नेतृत्व में, केवल बैठकर देखा नहीं; उन्होंने बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों के साथ इन चुंबकीय ग्रिडों की सक्रिय रूप से जांच की, जो एक ऑर्केस्ट्रा को निर्देशित करने वाले कंडक्टर की तरह कार्य करते हैं। उन्होंने विभिन्न "प्रोटोकॉल" (protocols), या संगीत स्कोर का उपयोग किया, यह देखने के लिए कि चुंबक कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। कुछ प्रोटोकॉल सरल थे, जो चुंबकों को केवल एक दिशा में धकेलते थे (जैसे एकतरफा रास्ता)। अन्य अधिक जटिल थे, जो उन्हें एक साथ दो दिशाओं में धकेलते थे, या उन्हें एक चक्कर (round trip) पर भेजते थे जहाँ वे उसी पथ पर बाहर गए और वापस आए, या एक लूप (loop) में जहाँ वापसी का पथ जाने वाले पथ से भिन्न था।
उन्होंने दो बहुत अलग व्यक्तित्वों की कहानी पाई। व्यवस्थित स्क्वायर स्पिन आइस उबाऊ रूप से पूर्वानुमेय (predictable) था। चाहे वे इसे कैसे भी धकेलें, या किस क्रम में धकेलें, चुंबक हमेशा एक ही स्थान पर समाप्त होते हैं। इसके पास उस पथ की कोई स्मृति नहीं थी जो इसने लिया था; इसे केवल उस स्थान की परवाह थी जहाँ यह समाप्त हुआ। यह एक रोबोट की तरह था जो हमेशा घर जाने के लिए सबसे छोटा रास्ता लेता है, सुंदर दृश्यों वाले रास्तों को अनदेखा करता है।
हालाँकि, शक्ति स्पिन आइस एक अलग कहानी थी। यह आश्चर्यों से भरा था और इसमें एक समृद्ध, जटिल स्मृति थी। जब शोधकर्ताओं ने शक्ति चुंबकों को एक विशिष्ट अनुक्रम में धकेला, तो चुंबकों की अंतिम व्यवस्था पूरी तरह से धकेले जाने के क्रम पर निर्भर थी। यदि उन्होंने पहले X दिशा में ज़ोर से धकेला, फिर Y दिशा में, तो चुंबक एक पैटर्न में स्थिर हो गए। यदि उन्होंने क्रम को उलट दिया, तो वे पूरी तरह से अलग पैटर्न में स्थिर हो गए। इस "अनुक्रम-निर्भर प्रतिक्रिया" (sequence-dependent response) का अर्थ था कि सामग्री अपने इतिहास को याद रख रही थी।
अध्ययन ने खुलासा किया कि यह स्मृति केवल एक साधारण ऑन/ऑफ स्विच नहीं थी। यह इस बात पर निर्भर करती थी कि चुंबक एक-दूसरे से कितनी मजबूती से बात कर रहे हैं (एक अनुपात जिसे लेखक कहते हैं)। जब चुंबक एक "अपभ्रष्ट" (degenerate) अवस्था में थे (टोपोलॉजिकल रूप से अव्यवस्थित अवस्था में), तो शक्ति आइस ने व्यवहारों का एक जंगली मिश्रण दिखाया। कभी-कभी परिणाम नियतिवादी (deterministic - पूर्वानुमेय लेकिन पथ के आधार पर भिन्न) था, और कभी-कभी स्टोकेस्टिक (stochastic - यादृच्छिक, जैसे सिक्का उछालना) था, जहाँ सिस्टम एक एकल अंतिम अवस्था का निर्णय नहीं ले सका और संभावनाओं के बीच उतार-चढ़ाव करता रहा। यह सामग्री के सबसे छोटे दोहराव वाले ब्लॉक, एक 4x4 ग्रिड में भी हुआ।
शायद सबसे दिलचस्प बात यह थी कि जब उन्होंने चुंबकों को "भूलने" और अपने शुरुआती बिंदु पर लौटने के लिए मजबूर करने की कोशिश की। "टू-वे" (Two-Way) प्रोटोकॉल में, जहाँ उन्होंने चुंबकों को बिल्कुल उसी पथ पर बाहर धकेला और वापस खींचा, शक्ति आइस अक्सर अपनी प्रारंभिक अवस्था को याद रखता था, लेकिन केवल तभी जब धक्का बहुत तेज़ न हो। हालाँकि, "लूप" (Loop) प्रोटोकॉल में, जहाँ वापसी का पथ जाने वाले पथ से भिन्न था, स्मृति अक्सर नष्ट हो गई। लूप के दौरान चुंबकों का उलझा हुआ पलटना इतिहास को बिखेर देता था, और सिस्टम एक नई, उत्तेजित अवस्था में समाप्त हो जाता था, जहाँ वह शुरू करने वाली जगह पर लौटने में असमर्थ था।
शोध पत्र सुझाव देता है कि यह स्मृति प्रभाव "शक्ति लैटिस" के "टोपोलॉजिकल बाधाओं" (topological constraints) का सीधा परिणाम है। क्योंकि चुंबकों को एक विशिष्ट प्रकार की अव्यवस्था में धकेला जाता है, उनके पास बिंदु A से बिंदु B तक जाने के कई पथ हैं, और वे जो पथ अपनाते हैं वह गंतव्य को बदल देता है। शोधकर्ताओं ने इन प्रयोगों को कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके चलाया (क्योंकि वे इन नैनो-चुंबकों के सैद्धांतिक मॉडल पर काम कर रहे हैं), और परिणाम स्पष्ट थे: टोपोलॉजिकल अव्यवस्था एक मजबूत, प्रोग्राम करने योग्य स्मृति बनाती है जिसकी सरल, व्यवस्थित सामग्रियों में कमी होती है।
संक्षेप में, यह शोध पत्र दिखाता है कि जबकि एक पूरी तरह से व्यवस्थित प्रणाली पूर्वानुमेय और विस्मृतिशील (forgetful) होती है, एक प्रणाली जिसमें टोपोलॉजिकल रूप से बाधित अव्यवस्था होती है, वह स्मृति की मास्टर होती है। यह वर्तमान अवस्था तक पहुँचने वाले घटनाओं के अनुक्रम को याद रख सकती है, जो सूचना संग्रहीत करने के लिए भविष्य की तकनीकों के बारे में सोचने का एक नया तरीका प्रदान करती है। लेखक प्रस्ताव करते हैं कि यह केवल इन विशिष्ट चुंबकीय ग्रिडों का एक विचित्र गुण नहीं है, बल्कि टोपोलॉजिकल प्रणालियों का एक मौलिक गुण है जिसे भविष्य की तकनीकों के लिए उपयोग किया जा सकता है, जिससे "अव्यवस्था" के बिखराव को स्मृति के एक शक्तिशाली उपकरण में बदला जा सके।
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