Transport of indirect excitons and exciton mediated spin transport in a van der Waals heterostructure in magnetic fields
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक MoSe/WSe वैन डेर वाल्स हेटरोस्ट्रक्चर में अप्रत्यक्ष एक्सिटोन (indirect excitons) और उनके द्वारा मध्यस्थ स्पिन परिवहन (mediated spin transport), 8 T तक के चुंबकीय क्षेत्रों के तहत ~100 माइक्रोमीटर तक का दीर्घ-रेंज प्रसार प्रदर्शित करते हैं, जिसमें क्षय दूरियां (decay distances) इन दोनों घटनाओं के बीच सह-संबंधित हैं और एक्सिटोन घनत्व के साथ गैर-एकदिष्ट (non-monotonically) रूप से भिन्न होती हैं।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की सूक्ष्म दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार सूचनाओं को बिना गर्मी उत्पन्न किए या ऊर्जा बर्बाद किए स्थानांतरित करने के तरीकों की खोज कर रहे हैं। एक आशाजनक मार्ग में प्रकाश और पदार्थ के छोटे पैकेट शामिल हैं जिन्हें 'एक्सिटोन' (excitons) कहा जाता है। एक एक्सिटोन की कल्पना एक इलेक्ट्रॉन और एक होल (hole) के कणों के जोड़े के रूप में करें, जो विपरीत ध्रुवों वाले चुंबक की तरह एक-दूसरे के प्रति आकर्षित होते हैं। आमतौर पर, वे एक साथ करीब रहते हैं, लेकिन एक विशेष प्रकार की परतदार सामग्री में, शोधकर्ता उन्हें अलग-अलग परतों में विभाजित कर सकते हैं। यह अलगाव एक लंबे समय तक जीवित रहने वाले कण का निर्माण करता है, जो अपने सामान्य समकक्षों की तुलना में गायब होने से पहले बहुत अधिक दूरी तय कर सकता है। क्योंकि ये कण 'स्पिन' नामक एक गुण ले जाते हैं, जो उनके चुंबकीय अभिविन्यास (orientation) से संबंधित है, वे भविष्य में सूचना को लंबी दूरी तक बिना सिग्नल कम हुए ले जाने का एक संभावित तरीका प्रदान करते हैं। इन कणों के चलने के तरीके को समझना, विशेष रूप से शक्तिशाली चुंबकीय बलों से प्रभावित होने पर, भविष्य की उन तकनीकों को विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है जो डेटा को अधिक कुशलता से प्रोसेस कर सकें।
कैलिफोनिया विश्वविद्यालय सैन डिएगो के भौतिकविदों की एक टीम ने हाल ही में यह जांच की कि शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में आने पर ये अलग हुए कण कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने दो अलग-अलग परमाणु-पतली सामग्रियों, मोलिब्डेनम डाइसेलेनाइड (molybdenum diselenide) और टंगस्टन डाइसेलेनाइड (tungsten diselenide), के ऊपर रखे गए एक सैंडविच जैसी संरचना के साथ काम किया। इस संरचना पर लेजर चमकाकर, उन्होंने इन लंबे समय तक जीवित रहने वाले कणों की एक धारा बनाई और देखा कि वे कैसे फैलते हैं। शोधकर्ताओं ने आठ टेस्ला तक के मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लागू किए ताकि यह देखा जा सके कि क्या अदृश्य बल कणों की यात्रा को बदल देता है। उन्होंने पाया कि ये कण उल्लेखनीय रूप से दूर तक जा सकते थे, लगभग सौ माइक्रोमीटर की दूरी तक, जो मानव बाल की चौड़ाई के बराबर है। इससे भी अधिक आश्चर्यजनक बात यह थी कि कणों ने इन लंबी दूरियों पर अपने स्पिन अभिविन्यास को बनाए रखा, जिसका अर्थ है कि वे पर्यावरण के कारण अपनी चुंबकीय जानकारी खोए बिना इसे ले जा सकते हैं।
इन कणों का व्यवहार कोई सरल सीधी रेखा नहीं था। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने लेजर द्वारा बनाए गए कणों की संख्या बढ़ाई, उनके द्वारा तय की गई दूरी पहले लंबी हुई और फिर फिर से छोटी हो गई। यह पैटर्न तब भी सही रहा जब चुंबकीय क्षेत्र मौजूद था या अनुपस्थित था। वैज्ञानिकों ने देखा कि स्पिन सूचना द्वारा तय की गई दूरी सीधे तौर पर इस बात से जुड़ी थी कि कण स्वयं कितनी दूर तक चले। जब कण अधिक दूर तक गए, तो स्पिन सूचना भी उतनी ही दूर तक चली। यह गहरा संबंध बताता है कि सूचना ले जाने की क्षमता पूरी तरह से उसे ले जाने वाले कणों की स्थिरता और गति पर निर्भर करती है। टीम ने उल्लेख किया कि यह लंबी दूरी की गति उन सिद्धांतों के अनुरूप थी जो दो परमाणु परतों के बीच के बेमेलपन से बनी एक दोहराव वाली, ग्रिड जैसी परिदृश्य (landscape) में कणों के व्यवहार के बारे में बताते हैं, जिसे 'मोइरे पैटर्न' (moiré pattern) नामक घटना कहा जाता है।
अध्ययन ने इस नई सामग्री और पिछले प्रयोगों में उपयोग की गई पुरानी अर्धचालक (semiconductor) सामग्रियों के बीच एक प्रमुख अंतर पर भी प्रकाश डाला। उन पुरानी सामग्रियों में, मजबूत चुंबकीय क्षेत्र आमतौर पर कणों को भारी बना देते थे और उन्हें धीमा कर देते थे, जिससे उनकी यात्रा की दूरी काफी कम हो जाती थी। हालांकि, इस परमाणु-पतली परतों के नए स्टैक में, चुंबकीय क्षेत्रों ने गति को दबाया नहीं। कण मजबूत चुंबकीय बल के प्रभाव में भी लंबी दूरी तय करना जारी रखते रहे। यह लचीलापन संभवतः इस तथ्य के कारण है कि इस सामग्री में कण एक-दूसरे से बहुत मजबूती से जुड़े हुए हैं, जिससे वे उन चुंबकीय बलों के प्रति कम संवेदनशील हो जाते हैं जो आमतौर पर उनकी गति को बाधित करते हैं। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि ये निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि इन सामग्रियों में कणों और उनकी स्पिन सूचना दोनों का लंबी दूरी तक परिवहन संभव है, भले ही वे महत्वपूर्ण चुंबकीय क्षेत्रों के अधीन हों, जो भविष्य के उपकरणों में इन प्रणालियों के उपयोग के बारे में आगे की खोज का मार्ग खोलता है।
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