Strain Engineering of Intrinsic Anomalous Hall and Nernst Effects in Altermagnetic MnTe at Realistic Doping Levels

ठोस पदार्थों की छिपी हुई दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से 'अल्टरमैग्नेट्स' (altermagnets) के रूप में जानी जाने वाली पदार्थों की एक विचित्र श्रेणी से मंत्रमुग्ध रहे हैं। इन सामग्रियों में एक अनूठी आंतरिक व्यवस्था होती है जहाँ उनके परमाणुओं के चुंबकीय स्पिन इस तरह व्यवस्थित होते हैं कि वे समय-प्रतिवर्ती समरूपता (time-reversal symmetry) को तोड़ते हैं—जो प्रकृति का एक मौलिक गुण है—फिर भी वे बिना किसी समग्र चुंबकीय खिंचाव के ऐसा करने में सक्षम होते हैं। कल्पना कीजिए कि लोगों की एक भीड़ है जहाँ आधे उत्तर की ओर देखते हैं और आधे दक्षिण की ओर; दूर से देखने पर भीड़ की कोई शुद्ध दिशा नहीं होती, लेकिन व्यक्तिगत दिशाएँ पूरी तरह से संगठित होती हैं। दशकों तक, शोधकर्ताओं का मानना था कि ऐसी अवस्था 'एनोमलस हॉल प्रभाव' (anomalous Hall effect) उत्पन्न नहीं कर सकती, जो एक ऐसी घटना है जहाँ सामग्री के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा बगल की ओर मुड़ जाती है, जिससे एक वोल्टेज उत्पन्न होता है। यह पार्श्व विचलन केवल फेरोमैग्नेट्स (ferromagnets) का विशेष क्षेत्र माना जाता था, जो वे चुंबक हैं जो आपके रेफ्रिजरेटर से चिपकते हैं। हालाँकि, हाल के सैद्धांतिक कार्य ने सुझाव दिया कि अल्टरमैग्नेट्स इस प्रभाव को उत्पन्न करने में सक्षम होने चाहिए, लेकिन जब वैज्ञानिकों ने एक प्रमुख उम्मीदवार, हेक्सागोनल मैंगनीज टेलुराइड (hexagonal manganese tellide) का परीक्षण किया, तो उन्हें जो संकेत मिला वह निराशाजनक रूप से बहुत क्षीण था। प्रश्न बना हुआ था: क्या यह प्रभाव वास्तव में वहाँ था लेकिन छिपा हुआ था, या यह पूरी तरह से अनुपस्थित था?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक स्पष्ट उत्तर प्रदान किया है, यह प्रकट करते हुए कि प्रभाव वास्तव में मौजूद था लेकिन सामग्री की अपनी समरूपता द्वारा चुपचाप रद्द किया जा रहा था। हेक्सागोनल मैंगनीज टेलुराइड में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार का अनुकरण करने के लिए एक गणितीय मॉडल का उपयोग करके, उन्होंने खोजा कि सामग्री की आंतरिक संरचना एक सटीक संतुलन तराजू की तरह कार्य करती है। उन ऊर्जा स्तरों के पास, जहाँ सामग्री स्वाभाविक रूप से बिजली का संचालन करती है, इलेक्ट्रॉन दो विपरीत पार्श्व धक्कों को उत्पन्न करते हैं जो शक्ति में समान लेकिन दिशा में विपरीत होते हैं। क्योंकि सामग्री का क्रिस्टल लैटिस अत्यधिक सममित है, ये दो धक्के एक-दूसरे को पूरी तरह से रद्द कर देते हैं, जिससे शुद्ध संकेत लगभग शून्य रह जाता है। यही कारण है कि शुरुआती प्रयोगों में इतने कमजोर परिणाम देखे गए; सामग्री प्रभाव उत्पन्न करने में विफल नहीं हो रही थी, बल्कि वह इसके दो संस्करणों को उत्पन्न कर रही थी जो एक-दूसरे को मिटा रहे थे।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सरल लेकिन शक्तिशाली रणनीति प्रस्तावित की: उन्होंने एक विशिष्ट तरीके से सामग्री के क्रिस्टल लैटिस को खींचने (stretching) के प्रभाव का अनुकरण किया। एक सटीक, आयतन-संरक्षण तनाव (volume-conserving strain) लागू करके—जो अनिवार्य रूप से सामग्री को एक दिशा में दबाने और दूसरी दिशा में थोड़ा फैलने देने जैसा है बिना कुल आयतन बदले—उन्होंने उस पूर्ण समरूपता को तोड़ दिया जिसके कारण यह रद्दीकरण होता था। इस विरूपण ने उन पथों को नया आकार दिया जिनसे इलेक्ट्रॉन गुजरते हैं, जिन्हें 'फर्मी सतह' (Fermi surface) कहा जाता है, और संतुलन को झुका दिया। दो समान और विपरीत धक्कों के बजाय, एक दिशा प्रभावी हो गई। परिणाम स्वरूप एनोमलस हॉल प्रभाव में नाटकीय वृद्धि हुई, जिसमें पार्श्व वोल्टेज कई गुना बढ़ गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल थोड़ी सी खिंचाव, लगभग दो प्रतिशत, इस छिपी हुई क्षमता को अनलॉक करने के लिए पर्याप्त थी, जिसने एक लगभग अदृश्य संकेत को एक मजबूत संकेत में बदल दिया जिसे आसानी से मापा जा सकता है।

अध्ययन ने एक संबंधित घटना का भी अवलोकन किया जिसे 'एनोमलस नर्स्ट प्रभाव' (anomalous Nernst effect) कहा जाता है, जो तब होता है जब सामग्री के आर-पार तापमान का अंतर एक विद्युत धारा के बजाय एक पार्श्व वोल्टेज उत्पन्न करता है। हॉल प्रभाव की तरह ही, शोधकर्ताओं ने पाया कि इसी प्रकार का तनाव लगाने से नर्स्ट सिग्नल में काफी वृद्धि हुई। कमरे के तापमान पर, तनाव बढ़ने के साथ प्रभाव लगातार बढ़ता गया, जिससे यह सुझाव मिलता है कि इस पद्धति का उपयोग अत्यधिक संवेदनशील तापमान सेंसर बनाने के लिए किया जा सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने पुष्टि की कि यह संवर्धन सामग्री को एक पारंपरिक चुंबक में बदले बिना हुआ। तनाव के तहत भी, सामग्री ने अपना परिभाषित गुण बनाए रखा कि इसमें शून्य शुद्ध चुंबकत्व है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि विद्युत संकेतों में नाटकीय वृद्धि चुंबकीय क्षण (magnetic moment) के निर्माण के बजाय सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक टोपोलॉजी में परिवर्तन से आई थी।

ये निष्कर्ष बताते हैं कि पिछले प्रयोगों में देखे गए कमजोर संकेत सामग्री की विफलता नहीं थे, बल्कि उसकी पूर्ण समरूपता का परिणाम थे। नियंत्रित मात्रा में तनाव पेश करके, जो संभवतः प्रयोगशाला सेटिंग में विशेष सब्सट्रेट्स के उपयोग के माध्यम से किया जा सकता है, वैज्ञानिक अब सामग्री को उसकी वास्तविक टोपोलॉजिकल क्षमताओं को प्रकट करने के लिए हेरफेर कर सकते हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि अल्टरमैग्नेट्स के एनोमलस परिवहन गुण केवल सैद्धांतिक संभावनाएं नहीं हैं बल्कि वास्तविक दुनिया की स्थितियों में सुलभ और ट्यून करने योग्य हैं। यह नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के द्वार खोलता है जो पारंपरिक चुंबकों के विशिष्ट चुंबकीय हस्तक्षेप के बिना काम कर सकते हैं, और इलेक्ट्रॉन पथों की सूक्ष्म, तनाव-ट्यून की गई ज्यामिति का उपयोग करके शक्तिशाली विद्युत प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकते हैं।