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Spontaneous Anomalous Hall Effect at Room Temperature in Antiferromagnetic Material NbMnAs

यह अध्ययन रिपोर्ट करता है कि एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री NbMnAs, बहुत कम शुद्ध चुंबकत्व (net magnetization) होने के बावजूद कमरे के तापमान पर एक बड़ा स्वतःस्फूर्त असामान्य हॉल प्रभाव (spontaneous anomalous Hall effect) प्रदर्शित करता है, जो एंटीफेरोमैग्नेटिज्म से फेरोमैग्नेटिक-जैसे रिस्पॉन्स उत्पन्न करने के लिए एक नवीन प्रणाली के रूप में इसकी क्षमता को रेखांकित करता है।

मूल लेखक: Yuki Arai, Junichi Hayashi, Keiki Takeda, Hideki Tou, Eiichi Matsuoka, Hitoshi Sugawara, Hisashi Kotegawa

प्रकाशित 2026-02-05

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Yuki Arai, Junichi Hayashi, Keiki Takeda, Hideki Tou, Eiichi Matsuoka, Hitoshi Sugawara, Hisashi Kotegawa

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

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ किसी पदार्थ के भीतर छोटे चुंबक आमतौर पर एक आदर्श, शांत नृत्य में व्यवस्थित होते हैं: एक ऊपर की ओर इशारा करता है, अगला नीचे की ओर, और इसी तरह। यह एंटीफेरोमैग्नेट्स (antiferromagnets) के काम करने का तरीका है। क्योंकि वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, इसलिए वे आमतौर पर ऐसे व्यवहार करते हैं जैसे उनका कोई चुंबकीय व्यक्तित्व ही न हो। वे चुंबकीय दुनिया के "शांत पड़ोसी" हैं।

हालाँकि, वैज्ञानिकों ने एक नया पदार्थ, NbMnAs, खोजा है जो इस नियम को तोड़ता है। भले ही इसके आंतरिक चुंबक ज्यादातर एक-दूसरे को रद्द कर रहे हों, फिर भी यह पदार्थ इस तरह व्यवहार करता है जैसे इसका एक मजबूत चुंबकीय व्यक्तित्व हो, लेकिन केवल बहुत विशिष्ट परिस्थितियों में।

यहाँ शोधकर्ताओं ने जो पाया है उसकी कहानी सरल भाषा में दी गई है:

"भूतिया" चुंबकत्व (The "Ghost" Magnetism)

आमतौर पर, किसी पदार्थ को चुंबक (एक फेरोमैग्नेट) की तरह व्यवहार करने के लिए, आपको बहुत सारे "ऊपर" वाले चुंबकों और बहुत कम "नीचे" वाले चुंबकों की आवश्यकता होती है। लेकिन NbMnAs अलग है। इसमें लगभग बराबर संख्या में ऊपर और नीचे के चुंबक हैं, फिर भी यह एक विशेष विद्युत प्रभाव पैदा करने में सक्षम है जिसे एनोमलस हॉल इफेक्ट (Anomalous Hall Effect - AHE) कहा जाता है।

बिजली के तार के माध्यम से बिजली के प्रवाह को हाईवे पर चलती कारों की तरह समझें।

सामान्य हाईवे: कारें सीधी जाती हैं।
चुंबक के साथ: आमतौर पर, यदि आप सड़क के पास एक चुंबक रखते हैं, तो कारों को एक तरफ धकेल दिया जाता है (यह नियमित हॉल प्रभाव है)।
"भूतिया" प्रभाव (AHE): इस नए पदार्थ में, कारें किनारे की ओर धकेल दी जाती हैं भले ही सड़क के बाहर कोई चुंबक न हो। सड़क ही इस तरह बनाई गई है कि वह कारों को मुड़ने के लिए मजबूर करती है, सिर्फ इसलिए क्योंकि पदार्थ की आंतरिक संरचना ऐसी है।

आश्चर्य की बात यह है कि यह कमरे के तापमान (एक आरामदायक दिन के तापमान) पर होता है, जो एक बहुत बड़ी बात है क्योंकि ऐसा करने वाले अधिकांश पदार्थों को काम करने के लिए अत्यंत ठंडे तापमान तक जमाना पड़ता है।

पदार्थ के दो संस्करण

शोधकर्ताओं ने इस पदार्थ को दो अलग-अलग तरीकों से बनाया, और इसके परिणाम एक रफ स्केच की तुलना एक पॉलिश की हुई पेंटिंग से करने जैसे थे।

"पॉलीक्रिस्टलाइन" संस्करण (भीड़):
कल्पना कीजिए कि एक भीड़ है जहाँ सभी लोग अलग-अलग दिशाओं में खड़े हैं लेकिन एक ही नियमों का पालन कर रहे हैं। इस संस्करण में कई छोटे कण (grains) आपस में जुड़े हुए होते हैं।

परिणाम: इसने पूरी तरह से काम किया। इसने कमरे के तापमान पर "भूतिया" विद्युत प्रभाव दिखाया। इसमें एक बहुत ही सूक्ष्म, लगभग अदृश्य चुंबकीय खिंचाव (प्रति परमाणु लगभग 0.006 इकाइयाँ) था, जो यह साबित करता है कि यह मूल रूप से एक एंटीफेरोमैग्नेट है, लेकिन एक विशेष मोड़ के साथ।

"सिंगल क्रिस्टल" संस्करण (सोलोइस्ट/एकल कलाकार):
एक रत्न की तरह उगाए गए एक एकल, पूर्ण क्रिस्टल की कल्पना करें। शोधकर्ताओं को उम्मीद थी कि यह और भी बेहतर होगा।

समस्या: इस क्रिस्टल में एक "गायब हिस्सा" वाला पहेली थी। इसमें कुछ आर्सेनिक (As) परमाणु कम थे। इस गायब हिस्से के कारण, चुंबकों का "नृत्य" थोड़ा अस्त-व्यस्त हो गया।
परिणाम: वह तापमान जिस पर यह प्रभाव शुरू हुआ, गिर गया और इस पदार्थ में बहुत अधिक (लेकिन अवांछित) चुंबकीय खिंचाव विकसित हो गया। यह ऐसा था जैसे एकल कलाकार भीड़ की तुलना में एक अलग गाना गाने लगा हो। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि हालांकि इस संस्करण ने प्रभाव दिखाया, लेकिन यह "भीड़" वाले संस्करण जितना "शुद्ध" नहीं था क्योंकि इसमें कुछ परमाणु गायब थे।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (पेपर के अनुसार)

पेपर का दावा है कि NbMnAs उन पदार्थों के परिवार में एक नई खोज है जो यह कर सकते हैं।

इससे पहले, केवल कुछ ही पदार्थ (जैसे Mn3Sn और Mn3Ge) बड़े टुकड़ों में कमरे के तापमान पर यह "भूतिया" प्रभाव दिखा सकते थे।
NbMnAs उस विशिष्ट क्लब में शामिल हो जाता है।
शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि चूंकि इस पदार्थ में यह विशेष समरूपता (symmetry) है, इसलिए यह अन्य शानदार चीजें भी कर सकता है, जैसे गर्मी को बिजली में बदलना या प्रकाश के साथ विशेष तरीके से अंतःक्रिया करना (हालांकि उन्होंने इस पेपर में इन विशिष्ट ट्रिक्स का परीक्षण नहीं किया, लेकिन वे भविष्यवाणी करते हैं कि ये होने चाहिए)।

निचोड़ (The Bottom Line)

वैज्ञानिकों ने एक नया पदार्थ, NbMnAs, खोजा है जो मुख्य रूप से एक "शांत" एंटीफेरोमैग्नेट है लेकिन बिजली के मामले में गुप्त रूप से एक "तेज" चुंबक की तरह व्यवहार करता है। यह कमरे के तापमान पर यह करता है, जो इसे भविष्य की तकनीक के लिए एक बहुत ही दिलचस्प उम्मीदवार बनाता है। हालाँकि, इसे पूर्ण बनाने के लिए, उन्हें यह समझना होगा कि आर्सेनिक परमाणुओं को खोए बिना सिंगल क्रिस्टल कैसे उगाए जाएं।

संक्षेप में: उन्होंने एक ऐसा पदार्थ खोजा है जो कमरे के तापमान पर चुंबकत्व के नियमों को तोड़ता है, यह साबित करते हुए कि एक बड़ा चुंबकीय प्रभाव पाने के लिए आपको एक बड़े चुंबक की आवश्यकता नहीं है।

तकनीकी सारांश: एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री NbMnAs में कमरे के तापमान पर स्वतःस्फूर्त विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव (Spontaneous Anomalous Hall Effect)

समस्या और संदर्भ
विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव (AHE), जो बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के होने वाला एक स्वतःस्फूर्त हॉल प्रभाव है, पारंपरिक रूप से फेरोमैग्नेटिक (FM) सामग्रियों से जुड़ा हुआ है क्योंकि इनमें समय-प्रतिवर्ती सममिति (time-reversal symmetry) टूट जाती है। हालांकि, हाल के सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक कार्यों ने यह स्थापित किया है कि कुछ विशिष्ट सममिति भंग (symmetry breakings) वाले एंटीफेरोमैग्नेटिक (AFM) सामग्रियां—जो फेरोमैग्नेटिक अवस्थाओं के सममित रूप से समान हैं—भी एक बड़ा AHE उत्पन्न कर सकती हैं। जबकि Mn $_3$ Sn और Mn $_3$ Ge जैसी सामग्रियों ने बल्क क्रिस्टल रूपों में बड़े विसंगतिपूर्ण हॉल चालकता (AHC) का प्रदर्शन किया है, कमरे के तापमान पर बड़े AHE प्रदर्शित करने वाली नई AFM सामग्रियों की खोज एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है। लेखकों के पिछले कार्य ने NbMnP ( $T_N = 244$ K) नामक AFM धातु में एक बड़े AHC की पहचान की थी, जो एक ऑर्थोरोम्बिक TiNiSi-प्रकार की संरचना (स्पेस ग्रुप $Pnma $) में क्रिस्टलीकृत होता है, जिसका चुंबकीय बिंदु समूह$ m'm2'$ है। यह सममिति न केवल AFM व्यवस्था बल्कि एक छोटे स्वतःस्फूर्त चुंबकत्व (spontaneous magnetization) को भी सक्षम बनाती है, जिससे AHE संभव होता है। इस अध्ययन का उद्देश्य यह पता लगाना है कि क्या इस प्रणाली में फास्फोरस (P) को आर्सेनिक (As) से प्रतिस्थापित करने से AFM अवस्था सुरक्षित रहती है और क्या यह नेल तापमान ( $T_N$ ) को कमरे के तापमान तक पहुँचाने के लिए बढ़ा सकता है, भले ही पूर्णतः प्रतिस्थापित यौगिक NbMnAs की रिपोर्ट पहले नहीं दी गई थी।

कार्यप्रणाली (Methodology)
शोधकर्ताओं ने सॉलिड-स्टेट रिएक्शन के माध्यम से NbMnP $_{1-x}$ As $_x$ ( $x = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1$ ) और स्टोइकीओमेट्रिक NbMnAs के पॉलीक्रिस्टलाइन नमूनों का संश्लेषण किया। शुद्धता को अनुकूलित करने के लिए, NbMnAs के संश्लेषण हेतु अतिरिक्त Nb और Mn का उपयोग किया गया। NbMnAs के सिंगल क्रिस्टल को Ga–In फ्लक्स विधि का उपयोग करके उगाया गया। क्रिस्टल सममिति, जाली मापदंडों (lattice parameters) और साइट अधिभोग (site occupancies) की पुष्टि करने के लिए पाउडर और सिंगल-क्रिस्टल एक्स-रे विवर्तन (XRD) का उपयोग करके संरचनात्मक लक्षण वर्णन किया गया। तत्वों के संयोजन का विश्लेषण एक्स-रे फ्लोरोसेंस (XRF) के माध्यम से किया गया। चुंबकीय गुणों को SQUID मैग्नेटोमीटर का उपयोग करके मापा गया, और विद्युत परिवहन माप (प्रतिरोधकता और हॉल प्रभाव) पॉलीक्रिस्टलाइन पेलेट्स और सिंगल क्रिस्टल दोनों पर किए गए। ट्रांसवर्स घटक को अलग करने के लिए हॉल प्रतिरोधकता को चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष एंटीसिमेट्राइज (antisymmetrized) किया गया था।

मुख्य परिणाम

क्रिस्टल संरचना और संरचना (Composition):
- पुष्टि की गई कि पॉलीक्रिस्टलाइन NbMnAs, NbMnP के समान ही ऑर्थोरोम्बिक $Pnma$ संरचना में क्रिस्टलीकृत होता है। As सामग्री के साथ यूनिट-सेल वॉल्यूम निरंतर बढ़ा, जो सफल प्रतिस्थापन की पुष्टि करता है।
- सिंगल क्रिस्टल NbMnAs में As साइट पर महत्वपूर्ण कमी देखी गई (सिंगल-क्रिस्टल XRD द्वारा अधिभोग $\approx$ 85.2% और XRF द्वारा $\approx$ 72%), जबकि पॉलीक्रिस्टलाइन नमूना स्टोइकीओमेट्रिक के करीब था (Nb $_{0.92}$ Mn $_{1.07}$ As $_{0.96}$ )।
चुंबकीय गुण:
- As सामग्री के साथ नेल तापमान ( $T_N$ ) निरंतर बढ़ा, जो पॉलीक्रिस्टलाइन NbMnAs के लिए 354 K तक पहुँच गया।
- पॉलीक्रिस्टलाइन NbMnAs ने कम तापमान पर लगभग $6 \times 10^{-3} \mu_B$ /Mn का छोटा स्वतःस्फूर्त चुंबकत्व प्रदर्शित किया, जो एक AFM अवस्था के अनुरूप है जिसमें एक कमजोर FM घटक है (संभवतः डज़ालोशिंस्की–मोइरा (Dzyaloshinskii–Moriya) इंटरेक्शन के माध्यम से $a$ -अक्ष के अनुदिश)।
- सिंगल क्रिस्टल ने बहुत अधिक स्वतःस्फूर्त चुंबकत्व ( $8 \times 10^{-2} \mu_B$ /Mn) और कम $T_N$ रेंज (290–340 K) दिखाया, जिसे लेखक As की कमी और नमूने की गुणवत्ता के कारण मानते हैं, न कि मौलिक चुंबकीय बिंदु समूह में परिवर्तन के कारण।
परिवहन गुण (Transport Properties):
- पॉलीक्रिस्टलाइन NbMnAs ने $T_N = 354$ K के नीचे स्पष्ट विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव (AHE) प्रदर्शित किया, जो शून्य चुंबकीय क्षेत्र पर भी मौजूद है। हॉल प्रतिरोधकता ने चुंबकत्व वक्र के समान हिस्टेरेसिसिस (hysteresis) दिखाया।
  कही गई $T_N$ (294 K) के नीचे सिंगल क्रिस्टल ने भी हॉल प्रतिरोधकता में स्पष्ट हिस्टेरेसिसिस प्रदर्शित किया।
- सिंगल क्रिस्टल के लिए विसंगतिपूर्ण हॉल चालकता ( $\sigma_{AHE}$ ) निम्न तापमान पर लगभग 60 $\Omega^{-1}$ cm $^{-1}$ तक पहुँच गई। हालांकि यह NbMnP (230–450 $\Omega^{-1}$ cm $^{-1}$ ) और Mn $_3$ Ge (380 $\Omega^{-1}$ cm $^{-1}$ ) के लिए रिपोर्ट किए गए मानों से कम है, लेकिन यह अन्य कमरे के तापमान वाले AFM AHE सामग्रियों जैसे MnTe और FeS (< 1 $\Omega^{-1}$ cm $^{-1}$ ) की तुलना में काफी अधिक है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र NbMnAs की खोज का दावा करता है, जो एक नवीन एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री है जो कमरे के तापमान पर एक बड़ा विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव उत्पन्न करने में सक्षम है। मुख्य योगदान निम्नलिखित हैं:

AFM अवस्था की स्थिरता: यह प्रदर्शित करना कि P को As से प्रतिस्थापित करने से $Pnma$ क्रिस्टल संरचना और AHE के लिए आवश्यक विशिष्ट चुंबकीय सममिति ( $m'm2'$ ) सुरक्षित रहती है।
कमरे के तापमान पर संचालन: 354 K का नेल तापमान प्राप्त करना, जो एक बल्क AFM सामग्री में कमरे के तापमान पर AHE के अवलोकन की अनुमति देता है।
सममिति-संचालित प्रतिक्रिया: यह पुष्टि करना कि बड़ा AHE शुद्ध फेरोमैग्नेटिज्म के बजाय AFM ऑर्डरिंग सममिति से उत्पन्न होता है, जैसा कि स्टोइकीओमेट्रिक पॉलीक्रिस्टलाइन नमूने में छोटे स्वतःस्फूर्त चुंबकत्व से सिद्ध होता है।
अनुप्रयोगों की संभावना: लेखक तर्क देते हैं कि NbMnAs भविष्य की स्पिंट्रोनिक और थर्मोइलेक्ट्रिक प्रौद्योगिकियों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार है, क्योंकि इससे अन्य फेरोमैग्नेटिक-जैसे रिस्पॉन्स (जैसे कि विसंगतिपूर्ण नर्स्ट प्रभाव और मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर प्रभाव) भी कमरे के तापमान पर अपेक्षित हैं।

अध्ययन स्वीकार करता है कि हालांकि सिंगल क्रिस्टल वर्तमान में As की कमी और कम $T_N$ से ग्रस्त हैं, पॉलीक्रिस्टलाइन परिणाम स्टोइकीओमेट्रिक यौगिक की अंतर्निहित क्षमता की पुष्टि करते हैं। यह कार्य उच्च संक्रमण तापमान वाली नई टोपोलॉजिकल एंटीफेरोमैग्नेट्स की पहचान करने में बल्क सामग्री अन्वेषण के महत्व को रेखांकित करता है।

"भूतिया" चुंबकत्व (The "Ghost" Magnetism)

पदार्थ के दो संस्करण

यह क्यों महत्वपूर्ण है (पेपर के अनुसार)

निचोड़ (The Bottom Line)

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