Low magnetic moment and unconventional magneto-transport in half-Heusler alloy CoVGe

इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ सूचना के नन्हे पैकेट इलेक्ट्रॉन के प्रवाह से संचालित होकर सड़कों पर दौड़ रहे हैं। दशकों से, यह शहर मानक यातायात नियमों पर निर्भर रहा है, लेकिन जैसे-जैसे इमारतें ऊँची और सड़कें संकरी होती जा रही हैं, पुराने नियम ट्रैफिक जाम और इंजनों के अत्यधिक गर्म होने का कारण बन रहे हैं। वैज्ञानिक अब एक नए प्रकार के ट्रैफिक सिस्टम की तलाश कर रहे हैं—एक ऐसा सिस्टम जो केवल उनके चार्ज के बजाय इलेक्ट्रॉन्स के "स्पिन" (एक सूक्ष्म, आंतरिक घुमाव जिसे वे अपने साथ रखते हैं, जैसे कि एक घूमता हुआ लट्टू) का उपयोग करता है। यह स्पिंट्रोनिक्स (spintronics) का क्षेत्र है। सपना ऐसे उपकरण बनाने का है जो तेज़ हों, कम ऊर्जा का उपयोग करें, और ऐसे चुंबकीय क्षेत्र लीक न करें जो उनके पड़ोसियों को परेशान करें।

इसे साकार करने के लिए, शोधकर्ताओं को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता है जो एक विशिष्ट स्पिन वाले इलेक्ट्रॉन्स के लिए "एकतरफा सड़क" की तरह कार्य करें, जबकि दूसरे प्रकार के स्पिन को पूरी तरह से रोक दें। आदर्श रूप से, इन पदार्थों को चुंबकीय सेंसरों के लिए "अदृश्य" भी होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि उनका अपना लगभग कोई शुद्ध चुंबकीय खिंचाव नहीं होना चाहिए। इसे लोगों की एक ऐसी भीड़ के रूप में सोचें जहाँ आधे लोग घड़ी की दिशा में (clockwise) घूम रहे हैं और आधे घड़ी की विपरीत दिशा (counter-clockwise) में; यदि वे पूरी तरह से संतुलित हैं, तो बाहर से देखने वाले को वह भीड़ स्थिर दिखाई देगी, भले ही हर कोई व्यस्त होकर घूम रहा हो। ऐसे पदार्थ खोजना जो "हाफ-मेटालिक" (एक स्पिन के लिए पूरी तरह चयनात्मक) और "चुंबकीय रूप से शांत" दोनों हों, घास के ढेर में सुई खोजने जैसा है, लेकिन यह डेटा को स्टोर करने और प्रोसेस करने के तरीके में क्रांति ला सकता है।

इस खोज में, रविंदर कुमार और सचिन गुप्ता के नेतृत्व वाली शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए पदार्थ जिसे CoVGe कहा जाता है, के लिए एक विशिष्ट रेसिपी का परीक्षण करने का निर्णय लिया। यह एक "हाफ-हीसलर अलॉय" (half-Heusler alloy) है, जो कोबाल्ट, वैनेडियम और जर्मेनियम से बना एक फैंसी क्रिस्टल है जो एक बहुत ही विशिष्ट, व्यवस्थित घन (cube) में व्यवस्थित है। सैद्धांतिक रूप से, यह रेसिपी एक शून्य चुंबकीय क्षण (कोई शुद्ध स्पिन नहीं) और पूर्ण स्पिन चयनात्मकता वाला पदार्थ बनाएगी। हालाँकि, सिद्धांत केवल एक मानचित्र है; आपको यह देखने के लिए जमीनी स्तर पर उतरना होगा कि सड़कें वास्तव में मौजूद हैं या नहीं। टीम ने इस पदार्थ को प्रयोगशाला में संश्लेषित किया, सामग्री को आपस में मिलाकर और उन्हें ठंडा करके देखा कि वास्तव में क्या हुआ।

उन्होंने पाया कि यह एक "लगभग पूर्ण" और "अत्यधिक विचित्र" मिश्रण था। सबसे पहले, पदार्थ ने अपेक्षित क्रिस्टल संरचना बनाई, जो एक सुव्यवस्थित घनाकार व्यवस्था थी। जब उन्होंने इसकी चुंबकत्व की जाँच की, तो पाया कि यह वास्तव में बहुत शांत था। परम शून्य (absolute zero) से कुछ डिग्री ऊपर, 5 केल्विन (5 K) के ठंडे तापमान पर, पदार्थ ने केवल 0.13 μB प्रति फॉर्मूला यूनिट का चुंबकीय क्षण दिखाया। यह अविश्वसनीय रूप से छोटा है, जो उनके द्वारा सोचे गए सैद्धांतिक शून्य के बहुत करीब है, जिससे पता चलता है कि इसके भीतर के चुंबकीय स्पिन आपस में इस तरह रद्द हो रहे हैं जैसे कि एक रस्साकशी (tug-of-war) जहाँ दोनों टीमें समान रूप से मजबूत हों।

असली जादू तब हुआ जब उन्होंने देखा कि इस पदार्थ के माध्यम से बिजली कैसे चलती है। जैसे-जैसे उन्होंने नमूने को जमा देने वाले तापमान से लेकर कमरे के तापमान तक गर्म किया, विद्युत प्रतिरोध (electrical resistance) एक ऐसा व्यवहार प्रदर्शित करता है जो संकेत देता है कि यह पदार्थ हाफ-मेटालिक है। एक सामान्य धातु में, इलेक्ट्रॉन चुंबकीय तरंगों (मैग्नॉन्स) से टकराकर बिखर जाते हैं, लेकिन इस पदार्थ में, कम तापमान पर यह बिखराव अजीब तरह से दबा हुआ था। ऐसा लगता है जैसे इलेक्ट्रॉन्स ने एक प्रकार के स्पिन के लिए एक चिकना, घर्षण रहित राजमार्ग ढूंढ लिया हो, जबकि दूसरे प्रकार के स्पिन के लिए वहां निर्माण कार्य का अवरोध हो।

सबसे अप्रत्याशित खोज यह थी कि पदार्थ ने एक चुंबकीय क्षेत्र के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दी। आमतौर पर, जब आप किसी धातु के पास चुंबक रखते हैं, तो प्रतिरोध एक वक्र (curve) में बदलता है या थोड़ा गिरता है। लेकिन 5 K पर, CoVGe ने एक रैखिक धनात्मक मैग्नेटोरेसिस्टेंस (linear positive magnetoresistance) दिखाया। इसका अर्थ है कि जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र बढ़ाया, प्रतिरोध एक बिल्कुल सीधी रेखा में ऊपर गया, और यह उच्चतम क्षेत्रों (±5 T तक) में भी बढ़ना बंद नहीं हुआ। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह सामान्य चुंबकीय युक्तियों के कारण नहीं है, बल्कि पदार्थ की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में कुछ गहरा है—शायद एक "गैपलेस" (gapless) अवस्था जहाँ ऊर्जा स्तर सीधे फर्मी स्तर (Fermi level) पर क्रॉस करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों के लिए एक अनूठा पथ बनता है जो क्षेत्र के प्रति रैखिक रूप से प्रतिक्रिया करता है। जैसे ही तापमान 100 K से ऊपर गया, यह अजीब रैखिक व्यवहार गायब हो गया, और इसकी जगह अधिक पारंपरिक, कमजोर नकारात्मक प्रतिरोध ने ले ली।

टीम ने परमाणु संरचना के भीतर झाँकने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए। सिमुलेशन ने दिखाया कि जबकि "बहुसंख्यक" (majority) स्पिन इलेक्ट्रॉन एक पाइप में बहते पानी की तरह स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होते हैं, "अल्पसंख्यक" (minority) स्पिन इलेक्ट्रॉन एक 'स्यूडो-गैप' (pseudogap) का सामना करते हैं—जो कि एक पूरी तरह से खाली क्षेत्र नहीं था, बल्कि एक संकीर्ण बाधा (bottleneck) की तरह कार्य कर रहा था। यह प्रयोगात्मक डेटा से मेल खाता है, जो बताता है कि यह पदार्थ एक पूर्ण हाफ-मेटल नहीं है जिसमें एक सख्त दीवार हो, बल्कि कुछ अधिक जटिल है जो अभी भी इन असामान्य परिवहन गुणों की अनुमति देता है।

अंत में, पेपर यह दावा नहीं करता है कि इसने स्पिंट्रोनिक्स की पहेली को सुलझा लिया है, बल्कि इसने एक बहुत ही आशाजनक नया खिलाड़ी खोजा है। CoVGe एक ऐसा पदार्थ है जो चुंबकीय रूप से शांत है, हाफ-मेटालिक व्यवहार के संकेत देता है, और चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में आने पर एक अलग धुन पर नाचता है। यह एक ऐसा मंच है जो यह सुझाव देता है कि इन हीसलर अलॉय (Heusler alloys) में अभी भी बहुत सारी दिलचस्प भौतिकी को एक्सप्लोर करना बाकी है, जो वैज्ञानिकों को अगली पीढ़ी के ऊर्जा-कुशल, उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बनाने के लिए एक नया मैदान प्रदान करता है।