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Griffiths-like phase, spin-phonon coupling, and exchange-bias in the disordered double perovskite GdSrCoMnO $_{6}$

यह अध्ययन प्रकट करता है कि डबल पेरोव्स्काइट GdSrCoMnO $_6$ में संरचनात्मक अव्यवस्था जटिल चुंबकीय व्यवहारों को प्रेरित करती है, जिसमें ग्रिफिथ्स-जैसा चरण (Griffiths-like phase), स्पिन-फोनन कपलिंग, धीमी चुंबकीय गतिशीलता और एक महत्वपूर्ण निम्न-तापमान एक्सचेंज-बायस प्रभाव शामिल है, जो सभी मिश्रित-संयोजक (mixed-valence) Co और Mn आयनों के यादृच्छिक वितरण के कारण होने वाली फेरोमैग्नेटिक और एंटीफेरोमैग्नेटिक अंतःक्रियाओं के बीच प्रतिस्पर्धा से उत्पन्न होते हैं।

मूल लेखक: Gyanti Prakash Moharana, Diptikanta Swain, Hanuma Kumar Dara, Debendra Prasad Panda, S. N Sarangi

प्रकाशित 2026-04-23

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Gyanti Prakash Moharana, Diptikanta Swain, Hanuma Kumar Dara, Debendra Prasad Panda, S. N Sarangi

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 भीड़भाड़ वाला डांस फ्लोर है जहाँ दो अलग-अलग समूहों के डांसर तालमेल में नाचने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन वे बार-बार एक-दूसरे से टकराकर लड़खड़ा रहे हैं। यह मूल रूप से GdSrCoMnO6 (जिसे हम संक्षेप में GSCM कहेंगे) नामक एक विशेष क्रिस्टल के भीतर होता है।

वैज्ञानिकों ने इस सामग्री का अध्ययन यह समझने के लिए किया कि इसके परमाणु कैसे व्यवहार करते हैं, वे एक-दूसरे से कैसे "बात" करते हैं, और वे चुंबक के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देते हैं। यहाँ उनके निष्कर्षों की कहानी है, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है।

1. परिवेश: एक अराजक डांस फ्लोर (A Chaotic Dance Floor)

एक आदर्श क्रिस्टल में, परमाणु व्यवस्थित पंक्तियों में सजे होते हैं। लेकिन GSCM में, यह थोड़ा अस्त-व्यस्त है। यह क्रिस्टल एक "डबल पेरोव्स्काइट" (double perovskite) है, जो दो प्रकार की ईंटों से बनी एक जटिल इमारत की तरह है।

अव्यवस्था (The Mess): "ईंटें" (कोबाल्ट और मैंगनीज के परमाणु) बेतरतीब ढंग से मिली हुई हैं। कुछ एक जगह हैं, कुछ दूसरी जगह, और उनके विद्युत आवेश (valence) भी अलग-अलग हैं।
परिणाम: यह अव्यवस्था एक ऐसा अराजक वातावरण बनाती है जहाँ परमाणु इस बात पर सहमत नहीं हो पाते कि कैसे नाचना है। कुछ चाहते हैं कि वे हाथ पकड़कर एक दिशा में घूमें (फेरोमैग्नेटिक/Ferromagnetic), जबकि अन्य चाहते हैं कि वे विपरीत दिशा में घूमें (एंटीफेरोमैग्नेटिक/Antiferromagnetic)। यह निरंतर बहस एक चुंबकीय हताशा (magnetic frustration) की स्थिति पैदा करती है।

2. बड़ी जमावट: जब नृत्य शुरू होता है (153 K)

जैसे-जैसे वैज्ञानिकों ने सामग्री को ठंडा किया, -120°C (153 Kelvin) के आसपास कुछ दिलचस्प हुआ।

संक्रमण (The Transition): अचानक, अधिकांश डांसरों ने बहस करना बंद कर दिया और एक ही दिशा में आगे बढ़ने लगे। इसे फेरोमैग्नेटिक ट्रांजिशन (Ferromagnetic transition) कहा जाता है। सामग्री चुंबकीय हो गई, जैसे कि फ्रिज का चुंबक।
"भूतिया" क्लस्टर (Griffiths Phase): लेकिन यहाँ एक मोड़ है। पूरे फ्लोर के तालमेल में जमने से पहले ही (तापमान -120°C से थोड़ा अधिक होने पर भी), डांसरों के छोटे समूह आपस में घेरे बनाने लगे और एक साथ नाचने लगे, भले ही बाकी भीड़ अभी भी अराजक थी।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि एक बड़ी पार्टी है जहाँ अधिकांश लोग बस बेतरतीब ढंग से बातें कर रहे हैं। लेकिन संगीत वास्तव में शुरू होने से पहले ही, आप लोगों के छोटे समूहों को आपस में मिलकर एक घेरे में नाचते हुए देखते हैं। इन "झुंडों" को ग्रिफिथ्स-लाइक क्लस्टर्स (Griffiths-like clusters) कहा जाता है। ये अल्पकालिक और स्थानीय होते हैं, लेकिन वे यह दर्शाते हैं कि सामग्री समय से पहले ही खुद को व्यवस्थित करने की कोशिश कर रही है।

3. फुसफुसाता हुआ फर्श: स्पिन-फोन कपलिंग (Spin-Phonon Coupling)

वैज्ञानिकों ने रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Raman spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग करके क्रिस्टल की "आवाज़" भी सुनी (जो परमाणुओं के कंपन को सुनने के लिए लेजर चमकाने जैसा है)।

संबंध (The Connection): उन्होंने पाया कि जब चुंबकीय "नृत्य" शुरू हुआ, तो "संगीत" (परमाणुओं का कंपन) भी बदल गया।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि एक फर्श है जो लोगों के एक विशिष्ट पैटर्न में चलने पर अलग तरह से चरमराता है। इस सामग्री में, चुंबकीय स्पिन (डांसर) और परमाणु कंपन (फर्श के तख्ते) एक-दूसरे का हाथ थामे हुए हैं। जब डांसर अपने कदम बदलते हैं, तो फर्श के तख्तों की चरमराहट भी बदल जाती है। इसे स्पिन-फोन कपलिंग (spin-phonon coupling) कहा जाता है। यह साबित करता है कि चुंबकत्व और क्रिस्टल की भौतिक संरचना गहराई से जुड़े हुए हैं।

4. ग्लास ट्रैप: -243°C (30 K) पर फंस जाना

जब वैज्ञानिकों ने सामग्री को और भी अधिक ठंडा किया, लगभग -243°C (30 Kelvin) तक, तो डांस फ्लोर एक कांच (glass) में बदल गया।

धीमा होना (The Slow Down): डांसरों ने हिलना-डुलना बंद नहीं किया, लेकिन वे फंस गए। वे अब कोई सटीक लय नहीं खोज पा रहे थे। वे एक जगह जम गए थे, लेकिन एक अस्त-व्यस्त और यादृच्छिक तरीके से। इसे क्लस्टर-ग्लास स्टेट (Cluster-Glass state) कहा जाता है।
प्रमाण: जब वैज्ञानिकों ने फर्श को हिलाने की कोशिश की (एक वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके), तो डांसरों ने बहुत धीरे प्रतिक्रिया दी, जैसे शहद टपक रहा हो। इस "स्लो मोशन" व्यवहार ने पुष्टि की कि चुंबकीय क्लस्टर एक अव्यवस्थित अवस्था में फंसे हुए थे।

5. एकतरफा रास्ता: एक्सचेंज बायस (Exchange Bias)

यह शायद सबसे दिलचस्प हिस्सा है। जब वैज्ञानिकों ने एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हुए सामग्री को ठंडा किया, तो उन्होंने देखा कि सामग्री की याददाश्त पक्षपाती (biased) हो गई।

हिस्टेरेसिस लूप (The Hysteresis Loop): आमतौर पर, यदि आप चुंबक को एक दिशा में और फिर दूसरी दिशा में धकेलते हैं, तो यह सममित (symmetrical) व्यवहार करता है। लेकिन यहाँ, सामग्री को उस दिशा को "याद" रहा जिसमें उसे पहले धकेला गया था। इसे वापस दूसरी दिशा में धकेलना कठिन था।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि एक दरवाजा है जिसमें एक भारी स्प्रिंग लगा है। यदि आप उसे धक्का देकर खोलते हैं, तो वह आसानी से वापस आता है। लेकिन यदि आप उसे धक्का देते समय दरवाजे के फ्रेम को पकड़ लेते हैं, तो दरवाजा थोड़ा टेढ़ा होकर अटक जाता है। अब, उसे वापस धकेलना कठिन हो जाता है। यह "ऑफ-सेंटर" याददाश्त एक्सचेंज बायस (Exchange Bias) कहलाती है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है: यह प्रभाव -223°C (50 K) तक बना रहा, जो इतनी अव्यवस्थित सामग्री के लिए आश्चर्यजनक रूप से उच्च है। यह सुझाव देता है कि "जमे हुए" क्लस्टर, चुंबकीय दिशा को अपनी जगह बनाए रखने के लिए एंकर (लंगर) की तरह काम करते हैं।

6. "ट्रेनिंग" प्रभाव (The "Training" Effect)

वैज्ञानिकों ने देखा कि यदि वे चुंबक को बार-बार आगे-पीछे घुमाते रहे (फील्ड साइकिलिंग), तो "बायस" (याददाश्त) कमजोर होता गया।

उपमा: एक नए कर्मचारी के बारे में सोचें जो किसी कार्य को करने के लिए बहुत सख्त है। यदि आप उससे दस बार लगातार एक ही तरीके से काम करने को कहते हैं, तो वह थक सकता है या उसे बेहतर तरीका पता चल सकता है, और उसकी सख्ती कम हो सकती है।
क्रिस्टल में, "सख्त" चुंबकीय सीमाएँ (व्यवस्थित और अव्यवस्थित भागों के बीच का इंटरफेस) बार-बार चक्र चलाने के बाद पुनर्गठित और शिथिल हो जाती हैं, जिससे याददाश्त का प्रभाव कम हो जाता है।

बड़ी तस्वीर (The Big Picture)

शोध पत्र का निष्कर्ष है कि इस सामग्री में अव्यवस्था वास्तव में एक महाशक्ति (superpower) है।

परमाणुओं का यादृच्छिक मिश्रण एक अराजक वातावरण बनाता है।
यह अराजकता सामग्री को छोटे, प्रतिस्पर्धी समूहों (clusters) को बनाने के लिए मजबूर करती है।
ये क्लस्टर एक अनूठी स्थिति बनाते हैं जहाँ सामग्री आंशिक रूप से चुंबक, आंशिक रूप से ग्लास और आंशिक रूप से क्रिस्टल होती है।
यह अस्त-व्यस्त अवस्था एक्सचेंज बायस (चुंबकीय स्मृति) और चुंबकत्व एवं ऊष्मा के बीच मजबूत संबंध (स्पिन-फोन कपलिंग) जैसे शानदार प्रभावों की अनुमति देती है।

संक्षेप में: इस क्रिस्टल को अस्त-व्यस्त बनाकर, वैज्ञानिकों ने अनजाने में एक ऐसी सामग्री बना दी है जो एक जटिल, याददाश्त रखने वाले चुंबकीय स्पंज की तरह काम करती है, जो भविष्य के कंप्यूटर मेमोरी या सेंसर के लिए बहुत उपयोगी हो सकती है।

यहाँ शोध पत्र "Griffiths-like phase, spin-phonon coupling, and exchange-bias in the disordered double perovskite GdSrCoMnO6" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण और प्रेरणा

डबल पेरोव्स्काइट्स ( $R_2B'B''O_6$ ) युग्मित स्पिन, चार्ज, ऑर्बिटल और लैटिस डिग्री ऑफ फ्रीडम के अध्ययन के लिए एक समृद्ध मंच हैं। हालाँकि, क्रिस्टलोग्राफिकिक विकार (crystallographic disorder), विशेष रूप से एंटीसाइट विकार (antisite disorder - ASD) और मिश्रित संयोजकता (mixed valency), अक्सर प्रतिस्पर्धी फेरोमैग्नेटिक (FM) और एंटीफेरोमैग्नेटिक (AFM) इंटरैक्शन द्वारा चिह्नित जटिल चुंबकीय अवस्थाओं की ओर ले जाते हैं।

अंतराल (The Gap): जबकि दुर्लभ मृदा (rare-earth) डबल पेरोव्स्काइट्स जैसे $Gd_2CoMnO_6$ का व्यापक अध्ययन किया गया है, $GdSrCoMnO_6$ (GSCM) प्रणाली में लैटिस ज्यामिति, संयोजकता संतुलन और परिणामी चुंबकीय विषमता पर Sr प्रतिस्थापन ( $Gd^{3+}$ को $Sr^{2+}$ से बदलना) के विशिष्ट प्रभावों का अभी तक पर्याप्त अन्वेषण नहीं हुआ है।
उद्देश्य: यह जांचना कि GSCM में संरचनात्मक विकार और मिश्रित संयोजकता, चुंबकीय क्रम, ग्रिफिथ्स-जैसे चरणों (Griffiths-like phases) के उद्भव, स्पिन-लैटिस कपलिंग और एक्सचेंज-बायस परिघटनाओं को कैसे प्रभावित करती है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने निम्नलिखित तकनीकों का उपयोग करके एकल-चरण पॉलीक्रिस्टलाइन GSCM का संश्लेषण और लक्षण वर्णन किया:

संश्लेषण (Synthesis): उच्च-शुद्धता वाले ऑक्साइड/कार्बोनेट ( $Gd_2O_3$ , $Co_3O_4$ , $SrCO_3$ , $MnO_2$ ) का उपयोग करके पारंपरिक सॉलिड-स्टेट रिएक्शन विधि द्वारा, जिन्हें 1350°C पर सिंटर किया गया।
संरचनात्मक लक्षण वर्णन (Structural Characterization):
- एक्स-रे विवर्तन (XRD): चरण शुद्धता और ऑर्थोरॉम्बिक $Pnma$ संरचना की पुष्टि की।
- इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM/SAED/HRTEM): कणों की एकल-क्रिस्टलीय प्रकृति (~250 nm) और स्थानीय संरचनात्मक विशेषताओं को सत्यापित किया।
चुंबकीय माप (Magnetic Measurements):
- DC चुंबकन: संक्रमण तापमान और हिस्टेरेसिस निर्धारित करने के लिए ज़ीरो-फील्ड-कूल्ड (ZFC) और फील्ड-कूल्ड (FC) माप (5–300 K)।
- AC ससेप्टिबिलिटी: ग्लास डायनेमिक्स और फ्रीजिंग तापमानों का पता लगाने के लिए आवृत्ति-निर्भर माप (399–799 Hz)।
- एक्सचेंज-बायस विश्लेषण: $H_{EB}$ और ट्रेनिंग प्रभाव को मापने के लिए कूलिंग फील्ड ( $H_{CF} = \pm 3$ T) के तहत हिस्टेरेसिस लूप ( $M$ - $H$ ) का मापन।
स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण:
- रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी: फोनन मोड का विश्लेषण करने और स्पिन-फोनन कपलिंग का पता लगाने के लिए तापमान-निर्भर माप (100–273 K)।

3. प्रमुख योगदान और परिणाम

A. संरचनात्मक और चुंबकीय क्रम (Structural and Magnetic Ordering)

संरचना: GSCM एक विकृत (disordered) ऑर्थोरॉम्बिक संरचना अपनाता है।
फेरोमैग्नेटिक ट्रांज़िशन: DC चुंबकन $T_C \approx 153$ K पर एक तीव्र फेरोमैग्नेटिक ट्रांज़िशन प्रकट करता है, जो मूल यौगिक $Gd_2CoMnO_6$ ( $T_C = 123$ K) की तुलना में अधिक है। यह वृद्धि मिश्रित-संयोजकता अवस्थाओं ( $Co^{2+/3+}$ , $Mn^{3+/4+}$ ) और Sr-प्रेरित लैटिस संशोधनों के कारण है जो FM एक्सचेंज पथों को अनुकूलित करते हैं।
ग्रिफिथ्स-जैसा चरण (Griffiths-like Phase): व्युत्क्रम चुंबकीय ससेप्टिबिलिटी ( $\chi^{-1}$ $χ^{- 1}$ ) क्यूरी-वाइस व्यवहार से विचलित होकर $T_C$ $T_{C}$ के ऊपर नीचे की ओर झुकती है। यह पैरामैग्नेटिक मैट्रिक्स के भीतर लघु-दूरी (short-range) के FM क्लस्टर के निर्माण को दर्शाता है, जो $T_G \approx 172$ K तक विस्तारित एक ग्रिफिथ्स-जैसा क्षेत्र को परिभाषित करता है।
- पावर-लॉ अभिव्यक्ति $\chi^{-1} \propto (T/T_C^R - 1)^{1-\lambda}$ का उपयोग करके विश्लेषण करने पर $T_C^R \approx 158.9$ K और $\lambda \approx 0.42$ (DC) / $0.66$ (AC) प्राप्त हुआ, जो ग्रिफिथ्स चरण की पुष्टि करता है।

B. निम्न-तापमान ग्लास डायनेमिक्स (Low-Temperature Glassy Dynamics)

फ्रीजिंग तापमान: AC ससेप्टिबिलिटी $T_f \approx 30$ K के पास एक आवृत्ति-निर्भर विसंगति दिखाती है, जो एक ग्लास डायनेमिक फ्रीजिंग प्रक्रिया का संकेत देती है।
क्लस्टर-ग्लास व्यवहार: म्योडोस पैरामीटर ( $\Phi_f = 0.09$ ) और वोगेल-फुलचर लॉ ( $T_{VF} \approx 27.45$ K) तथा क्रिटिकल स्लोइंग-डाउन मॉडल के साथ फिटिंग यह सुझाव देती है कि यह सिस्टम एक इंटरैक्टिंग क्लस्टर ग्लास है, न कि एक कैनोनिकल स्पिन ग्लास। यह विकार द्वारा संचालित FM और AFM इंटरैक्शन के बीच प्रतिस्पर्धा के कारण उत्पन्न होता है।

C. स्पिन-फोनन कपलिंग (Spin-Phonon Coupling)

रमन विश्लेषण: दो सक्रिय मोड देखे गए: एक $A_g$ स्ट्रेचिंग मोड (~~675 cm $^{-1}$ ) और एक $B_g$ बेंडिंग मोड (~~561 cm $^{-1}$ )।
कपलिंग के साक्ष्य: फोनन फ्रीक्वेंसी $T_C$ के पास अपेक्षित एनहार्मोनिक बैकग्राउंड (बल्कांस्की मॉडल) से विचलित हुई। यह विचलन चुंबकन के वर्ग ( $M^2$ ) के साथ सह-संबंध रखता है, जो स्पिन-फोनन कपलिंग की पुष्टि करता है।
कपलिंग स्थिरांक: स्पिन-फोनन कपलिंग स्थिरांक का अनुमान $\lambda_{sp} \approx 0.13$ cm $^{-1}$ लगाया गया।

D. एक्सचेंज बायस और ट्रेनिंग प्रभाव (Exchange Bias and Training Effect)

एक्सचेंज बायस (EB): 50 K से नीचे फील्ड-कूल्ड हिस्टेरेसिस लूप में एक महत्वपूर्ण एक्सचेंज बायस देखा गया। 5 K पर, एक्सचेंज बायस फील्ड $|H_{EB}| = 379$ Oe है, जिसका कोएर्सिव फील्ड 1897 Oe है।
ट्रेनिंग प्रभाव: बार-बार फील्ड साइकलिंग के कारण $H_{EB}$ में गिरावट देखी गई, जिसे बाइनेक रिकर्सिव मॉडल और फ्रोजन/रोटेबल स्पिन रिलैक्सेशन मॉडल द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया है। यह FM क्लस्टर्स और AFM/फ्रस्ट्रेटेड मैट्रिक्स के बीच इंटरफेशियल स्पिन के पुनर्गठन को इंगित करता है।
क्लस्टर का आकार: कूलिंग-फील्ड निर्भरता के मॉडलिंग से पता चलता है कि यहाँ सीमित FM क्लस्टर्स मौजूद हैं, जिनका अनुमानित आकार $D \approx 6.31$ nm है।

4. महत्व और निष्कर्ष

यह कार्य संरचनात्मक विकार, मिश्रित संयोजकता और चुंबकीय सहसंबंधों के बीच परस्पर क्रिया को समझने के लिए एक व्यापक ढांचा प्रदान करता है।

ट्यूनिंग नॉब के रूप में विकार: यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Sr प्रतिस्थापन विकार (अनुमानित ~25% एंटीसाइट विकार) को बढ़ाता है, जो उच्च तापमान पर फेरोमैग्नेटिक ऑर्डर को स्थिर करता है, जबकि साथ ही कम तापमान पर ग्रिफिथ्स चरण और क्लस्टर-ग्लास व्यवहार को प्रेरित करता है।
युग्मित परिघटनाएँ: यह विकृत प्रणालियों में चुंबकीय अवस्था और लैटिस डायनेमिक्स (स्पिन-फोनन कपलिंग) के बीच सीधा संबंध स्थापित करता है।
एक्सचेंज बायस तंत्र: FM क्लस्टर्स और चुंबकीय रूप से फ्रस्ट्रेटेड मैट्रिक्स के बीच के इंटरफेस द्वारा संचालित 50 K तक एक्सचेंज बायस का अवलोकन, उन स्पिंट्रोनिक्स अनुप्रयोगों के लिए इसकी क्षमता को उजागर करता जहाँ ट्यूनेबल एक्सचेंज बायस की आवश्यकता होती है।

संक्षेप में, GdSrCoMnO6 एक मॉडल सिस्टम के रूप में कार्य करता है जहाँ संरचनात्मक विकार केवल चुंबकीय गुणों को खराब नहीं करता, बल्कि एक जटिल, विषम चुंबकीय परिदृश्य बनाता जो ग्रिफिथ्स फेज, ग्लास डायनेमिक्स और मजबूत एक्सचेंज बायस से समृद्ध है।