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Disentangling magnetic and optical contributions in ultrafast dynamics of antiperovskite non-collinear antiferromagnets

यह अध्ययन एंटीपरोवस्काइट नॉन-कोलिनियर एंटीफेरोमैग्नेट्स में चुंबकीय और ऑप्टिकल योगदान को अलग करने के लिए अल्ट्राफास्ट पंप-प्रोब प्रयोगों और ऑप्टिकल मॉडलिंग का उपयोग करता है, जो यह प्रकट करता है कि $\text{Mn}_3\text{NiN}$ के $\Gamma_{4g}$ चरण में क्षेत्र-निर्भर मैग्नेटोऑप्टिकल सिग्नल इसके पीज़ोमैग्नेटिक डोमेन पुनर्वितरण से उत्पन्न होते हैं, जबकि $\text{Mn}_3\text{GaN}$ $\Gamma_{5g}$ चरण में ऐसा कोई चुंबकीय प्रत्युत्तर प्रदर्शित नहीं करता है, साथ ही विशिष्ट तापमान-निर्भर क्वेंचिंग गतिकी भी दिखाई देती है।

मूल लेखक: J. Kimak, Tomas Ostatnicky, M. Nerodilova, F. Johnson, O. Faiman, T. Trejtnar, D. Boldrin, F. Rendell-Bhatti, J. Zemen, B. Zou, A. P. Mihai, X. Sun, F. Yu, E. Schmoranzerova, L. Nadvornik, L. F. Cohen

प्रकाशित 2026-05-08

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CC BY 4.0

मूल लेखक: J. Kimak, Tomas Ostatnicky, M. Nerodilova, F. Johnson, O. Faiman, T. Trejtnar, D. Boldrin, F. Rendell-Bhatti, J. Zemen, B. Zou, A. P. Mihai, X. Sun, F. Yu, E. Schmoranzerova, L. Nadvornik, L. F. Cohen, P. Nemec

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

यहाँ इस शोध पत्र का सरल भाषा और रोज़मर्रा के उदाहरणों के साथ विवरण दिया गया है।

बड़ी तस्वीर: "अदृश्य" स्पिन टीम

कल्पना कीजिए कि एक मंच पर नर्तकों (इलेक्ट्रॉन) की एक टीम है। एक सामान्य चुंबक (जैसे फ्रिज मैग्नेट) में, सभी नर्तक एक ही दिशा में देखते हैं, जिससे एक मजबूत, दृश्य खिंचाव पैदा होता है। एक मानक "एंटीफेरोमैग्नेट" (antiferromagnet) में, नर्तक जोड़े में होते हैं, जो विपरीत दिशाओं में देखते हैं। वे एक-दूसरे को पूरी तरह से संतुलित कर देते हैं, जिससे टीम अदृश्य दिखाई देती है और इसमें कोई शुद्ध खिंचाव नहीं होता।

लेकिन यह शोध पत्र एक विशेष, अजीब तरह की टीम के बारे में है जिसे नॉन-कोलिनियर एंटीफेरोमैग्नेट (non-collinear antiferromagnet) कहा जाता है। यहाँ, नर्तक केवल उत्तर या दक्षिण की ओर ही नहीं देख रहे हैं; वे एक त्रिकोण में व्यवस्थित हैं, जो एक घेरे में घूम रहे हैं। भले ही वे एक-दूसरे को संतुलित कर देते हैं ताकि आप कोई चुंबकीय खिंचाव महसूस न कर सकें, लेकिन यह घूमना पदार्थ के ताने-बाने में एक छिपा हुआ "ट्विस्ट" (मोड़) पैदा करता है। यह ट्विस्ट बिजली बनाने और प्रकाश के साथ अनूठे तरीकों से बातचीत करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली है, जो इन सामग्रियों को भविष्य के सुपर-फास्ट कंप्यूटरों के लिए रोमांचक बनाता है।

शोधकर्ताओं ने मैंगनीज, निकेल और नाइट्रोजन (Mn3NiN) और मैंगनीज, गैलियम और नाइट्रोजन (Mn3GaN) से बनी दो विशिष्ट टीमों का अध्ययन किया। वे यह पता लगाना चाहते थे कि जब इन टीमों पर एक सुपर-फास्ट लेजर पल्स (laser pulse) डाली जाती है, तो वे वास्तव में कैसे प्रतिक्रिया करती हैं।

प्रयोग: टॉर्च और झुकाव

इन नर्तकों को देखने के लिए, वैज्ञानिकों ने "पंप-प्रोब" (pump-probe) तकनीक का उपयोग किया।

द पंप (The Pump): एक शक्तिशाली, अत्यंत तीव्र लेजर पल्स (जैसे कैमरे की फ्लैश) नमूने से टकराती है। यह नर्तकों को "धक्का" देने जैसा है।
द प्रोब (The Probe): एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से बाद एक कमजोर लेजर बीम आती है जो यह "स्नैपशॉट" लेती है कि क्या हुआ।

शोधकर्ताओं ने कुछ अजीब देखा। जब उन्होंने प्रोब लाइट को नमूने के ठीक ऊपर से नीचे की ओर चमकाया, तो नर्तक चुंबकीय क्षेत्र के प्रति बहुत अधिक प्रतिक्रिया देते हुए नहीं दिखे। लेकिन, जब उन्होंने नमूने को झुकाया (जैसे मेज पर रखी किताब को तिरछा करना), तो प्रतिक्रिया बहुत बड़ी हो गई और चुंबकीय क्षेत्र की दिशा पर बहुत अधिक निर्भर करने लगी।

उपमा (Analogy): एक घूमते हुए लट्टू की छाया देखने की कोशिश करने की कल्पना करें। यदि आप ऊपर से सीधे नीचे रोशनी डालते हैं, तो छाया केवल एक वृत्त होती है, और यह बताना कठिन होता है कि लट्टू किस दिशा में घूम रहा है। लेकिन यदि आप बगल से रोशनी डालते हैं (सेटअप को झुकाकर), तो छाया लंबी हो जाती है, और आप स्पष्ट रूप से स्पिन और उसके बदलाव को देख सकते हैं। इस प्रयोग में "झुकाव" (tilt) छिपे हुए चुंबकीय नृत्य को देखने की कुंजी थी।

दो अलग-अलग टीमें: "ट्विस्टी" बनाम "फ्लैट"

यह शोध पत्र बताता है कि दोनों सामग्रियां, हालांकि दिखने में समान हैं, अपने आंतरिक "नृत्य के स्टेप्स" के कारण बहुत अलग व्यवहार करती हैं।

Mn3NiN (द "ट्विस्टी" टीम):
- इस टीम में एक विशिष्ट व्यवस्था (जिसे $\Gamma_{4g}$ चरण कहा जाता है) है जो उन्हें "पिएज़ोमैग्नेटिक मोमेंट" (piezomagnetic moment) रखने की अनुमति देती है। इसे उनके नृत्य के स्टेप्स में एक छोटे, छिपे हुए स्प्रिंग की तरह समझें।
- जब वैज्ञानिकों ने चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो इस स्प्रिंग ने चुंबकीय "डोमेन" (नर्तकों के समूह) को पुनर्गठित करने की अनुमति दी। कुछ समूह बड़े हो गए, और कुछ सिकुड़ गए।
- परिणाम: क्योंकि समूहों का आकार बदल गया, इसलिए लेजर लाइट का परावर्तन (reflection) चुंबकीय क्षेत्र के आधार पर बदल गया। शोधकर्ता "चुंबकीय" संकेत (नर्तकों का हिलना) को "गर्मी" के संकेत (कमरे का गर्म होना) से अलग करने में सफल रहे। उन्होंने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र एक कंडक्टर की तरह काम करता है, जो नर्तकों को बताता है कि उन्हें किस समूह में शामिल होना है।
Mn3GaN (द "फ्लैट" टीम):
- इस टीम में एक अलग व्यवस्था ( $\Gamma_{5g}$ चरण) है। वे भी एक त्रिकोण हैं, लेकिन उनका "स्प्रिंग" अलग दिशा में स्थित है।
- भले ही चुंबकीय क्षेत्र ने नर्तकों को समूहों में पुनर्गठित किया, लेकिन प्रकाश का परावर्तन अलग था। चुंबकीय क्षेत्र की दिशा पर निर्भर करने वाला "चुंबकीय" संकेत पूरी तरह से रद्द हो गया।
- परिणाम: लेजर लाइट में बदलाव दिखा, लेकिन वे बदलाव बिल्कुल वैसे ही थे चाहे चुंबकीय क्षेत्र मजबूत हो, कमजोर हो या उल्टा हो। चुंबकीय क्षेत्र ने नर्तकों को हिलाया, लेकिन इसने नृत्य के "दिखावे" को नहीं बदला।

तापमान का मोड़: एक कदम बनाम दो कदम

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए गर्मी भी बढ़ाई कि तापमान नृत्य को कैसे बदलता है।

ठंडे तापमान पर: जब उन्होंने Mn3NiN के नमूने पर लेजर मारा, तो चुंबकीय व्यवस्था (नृत्य) लगभग तुरंत एक बड़े "क्वेंच" (बुझाव) में रुक गई। यह एक लाइट स्विच को बंद करने जैसा था।
गर्म तापमान पर: जैसे-जैसे वे गर्म हुए, रुकने की प्रक्रिया बदल गई। एक त्वरित स्टॉप के बजाय, नृत्य दो चरणों में धीमा हुआ। पहले, यह तेजी से रुका, फिर पूरी तरह से रुकने से पहले यह और भी धीमा हो गया।

उपमा: एक कार के ब्रेक लगाने की कल्पना करें।

ठंडा (Type I): आप ब्रेक जोर से दबाते हैं, और कार तुरंत रुक जाती है।
गर्म (Type II): आप ब्रेक दबाते हैं, कार तेजी से धीमी होती है, लेकिन फिर यह पूरी तरह से रुकने से पहले एक लंबी, धीमी गति से फिसलती है।

शोध पत्र नोट करता है कि यह "दो-चरणीय" धीमा होना ऐसी चीज़ है जो आमतौर पर नियमित चुंबकों (फेरोमैग्नेट्स) में देखी जाती है, लेकिन इस विशेष एंटीफेरोमैग्नेट में इसे देखना आश्चर्यजनक था, खासकर क्योंकि एक समान सामग्री (Mn3Sn) ऐसा नहीं करती है।

सारांश: उन्होंने क्या पाया

झुकाव (Tilt) ही कुंजी है: आप पूरी चुंबकीय कहानी नहीं देख सकते जब तक कि आप नमूने को झुकाते नहीं हैं। यह मेज पर रखी किताब को सीधा देखने जैसा है; स्पष्ट रूप से पढ़ने के लिए आपको उसे उठाना होगा।
संकेतों को अलग करना: नमूने को झुकाकर और प्रकाश के विभिन्न कोणों का उपयोग करके, वे "चुंबकीय" परिवर्तनों को "गर्मी" के परिवर्तनों से सफलतापूर्वक अलग करने में सफल रहे।
क्षेत्र नियंत्रण (Field Control): Mn3NiN में, चुंबकीय क्षेत्र एक स्विच की तरह काम करता है जो चुंबकीय समूहों की संख्या को बदल देता है, जिससे प्रकाश का परावर्तन बदल जाता है। Mn3GaN में, चुंबकीय क्षेत्र समूहों को हिलाता है, लेकिन प्रकाश इस अंतर को नोटिस नहीं करता।
तापमान प्रभाव: तापमान बढ़ने से Mn3NiN में चुंबकीय व्यवस्था के खत्म होने की गति बदल जाती है, जो एक तेज़, एकल स्टॉप से बदलकर एक धीमी, दो-चरणीय फेड-आउट (fade-out) में बदल जाती है।

शोध पत्र का निष्कर्ष है कि इन विशिष्ट "नृत्य स्टेप्स" और इस बात को समझना कि वे प्रकाश, गर्मी और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, भविष्य के अल्ट्रा-फास्ट इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इन सामग्रियों का उपयोग करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

तकनीकी सारांश: एंटीपेरोव्स्काइट नॉन-कोलिनियर एंटीफेरोमैग्नेट्स के अल्ट्राफास्ट डायनेमिक्स में चुंबकीय और ऑप्टिकल योगदान को अलग करना

समस्या और संदर्भ
नॉन-कोलिनियर एंटीफेरोमैग्नेट्स (nc-AFs) स्पिंट्रोनिक्स के लिए एक आशाजनक वर्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो अपने संतुलित चुंबकीय संरचनाओं और स्ट्रे फील्ड्स (stray fields) की अनुपस्थिति के कारण उच्च एकीकरण घनत्व और टेराहर्ट्ज़ ऑपरेटिंग आवृत्तियों की पेशकश करते हैं। हालांकि, इनका प्रयोगात्मक लक्षण वर्णन चुनौतीपूर्ण है क्योंकि पारंपरिक रैखिक मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभाव (जैसे कि एनोमलस हॉल प्रभाव और मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर प्रभाव) कोलीनियर एंटीफेरोमैग्नेट्स में लुप्त हो जाते हैं और nc-AFs में प्रतिस्पर्धी ऑप्टिकल और गैर-चुंबकीय योगदानों के कारण उन्हें अलग करना अक्सर कठिन होता है। जबकि पिछले कार्य ने यह स्थापित किया था कि रैखिक रूप से ध्रुवीकृत फेम्टोसेकंड लेजर पल्स एंटीपेरोव्स्काइट $\text{Mn}_3\text{NiN}$ और $\text{Mn}_3\text{GaN}$ में नॉन-थर्मल स्पिन ऑर्डर नियंत्रण को प्रेरित कर सकते हैं, पंप-पोलराइजेशन-स्वतंत्र डायनेमिक्स को चलाने वाले विशिष्ट तंत्र स्पष्ट नहीं थे। विशेष रूप से, लेजर हीटिंग द्वारा प्रेरित चुंबकीय ऑर्डर क्वेंचिंग (quenching) और गैर-चुंबकीय अपवर्तनांक (refractive index) परिवर्तनों के बीच अंतर करना, और यह समझना आवश्यक था कि ये डायनेमिक्स नमूना ओरिएंटेशन और बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पर कैसे निर्भर करते हैं।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने $\text{Mn}_3\text{NiN}$ और $\text{Mn}_3\text{GaN}$ की पतली फिल्मों के अल्ट्राफास्ट डायनेमिक्स की जांच करने के लिए फेम्टोसेकंड लेजर पल्स का उपयोग करते हुए एक पंप-प्रोब तकनीक का प्रयोग किया।

सामग्री: अध्ययन में MgO सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए (001)-ओरिएंटेड $\text{Mn}_3\text{NiN}$ (13 nm) और $\text{Mn}_3\text{GaN}$ (40 nm) का उपयोग किया गया। चुंबकीय चरणों को एनोमलस हॉल प्रभाव (AHE) मापों के माध्यम से वर्गीकृत किया गया था: $\text{Mn}_3\text{NiN}$ को $\Gamma_{4g}$ चरण के रूप में पहचाना गया (जो रैखिक मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों की अनुमति देता है), जबकि $\text{Mn}_3\text{GaN}$ को $\Gamma_{5g}$ चरण के रूप में पहचाना गया (जो रैखिक प्रभावों को वर्जित करता है)।
प्रायोगिक सेटअप: सेटअप ने प्रोब बीम के सापेक्ष परिवर्तनशील नमूना झुकाव ( $\Theta$ ) और लागू चुंबकीय क्षेत्र ( $H$ ) की अनुमति दी। पंप-प्रेरित प्रोब पोलराइजेशन रोटेशन ( $\Delta\beta$ ) और क्षणिक ट्रांसमिशन ( $\Delta T/T$ ) को समय विलंब (time delay), पंप-प्रोब पोलराइजेशन कोणों और चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति (अधिकतम $\pm 530$ mT तक) के फलन के रूप में मापा गया।
मॉडलिंग: लेखकों ने पूर्ण ऑप्टिकल और मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया को सिम्युलेट करने के लिए मल्टीलेयर ऑप्टिकल मॉडलिंग के लिए येह के फॉर्मलिज्म (Yeh's formalism) का उपयोग किया। इस मॉडल में आठ चुंबकीय डोमेन वेरिएंट्स के पारमिटिविटी टेंसरों को शामिल किया गया था, जो $\Gamma_{4g}$ और $\Gamma_{5g}$ चरणों के अनुरूप थे। महत्वपूर्ण रूप से, मॉडल ने बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के तहत पिएज़ोमैग्नेटिक मोमेंट्स ( $M_P$ ) द्वारा संचालित चुंबकीय डोमेन आबादी के पुनर्वितरण के साथ-साथ पंप-प्रेरित परिवर्तनों (क्वेंचिंग और गैर-चुंबकीय अपवर्तनांक/हीटिंग) को भी समाहित किया।

मुख्य परिणाम

नमूना झुकाव और चुंबकीय क्षेत्र पर निर्भरता: दोनों सामग्रियों ने मजबूत पंप-पोलराइजेशन-स्वतंत्र डायनेमिक्स प्रदर्शित किए जो नमूना झुकाव कोण ( $\Theta$ ) पर अत्यधिक निर्भर थे।
- $\text{Mn}_3\text{NiN}$ ( $\Gamma_{4g}$ ) में, जब नमूना झुका हुआ था ( $\Theta \neq 0^\circ$ ), तो प्रोब पोलराइजेशन रोटेशन ने लागू चुंबकीय क्षेत्र पर एक विशिष्ट निर्भरता दिखाई। सामान्य आपतन (normal incidence, $\Theta = 0^\circ$ ) पर, समान रूप से आबादी वाले डोमेन के योगदान के रद्द होने के कारण सिग्नल लगभग अनुपस्थित थे। नमूने को झुकाने से एक आउट-ऑफ-प्लेन फील्ड घटक उत्पन्न हुआ, जिसने डोमेन आबादी की डिजेनरेसी को समाप्त कर दिया और एक फील्ड-डिपेंडेंट मैग्नेटो-ऑप्टिकल सिग्नल को प्रकट किया।
- $\text{Mn}_3\text{GaN}$ ( $\Gamma_{5g}$ ) में, हालांकि एक मजबूत झुकाव-निर्भर सिग्नल देखा गया, लेकिन यह लागू चुंबकीय क्षेत्र से पूरी तरह स्वतंत्र था। इसे $\Gamma_{5g}$ चरण की समरूपता (symmetry) के कारण बताया गया है, जो रैखिक मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों (MOKE-जैसे सिग्नल्स) को वर्जित करती है और एक सममित डोमेन पुनर्वितरण का परिणाम देती है जो शुद्ध वोइग्ट प्रभाव (Voigt effect) को परिवर्तित नहीं करता है।
योगदानों का पृथक्करण: पोलराइजेशन-रिजॉल्व्ड मापों को सैद्धांतिक मॉडल के साथ जोड़कर, लेखकों ने चुंबकीय और गैर-चुंबकीय योगदानों को मात्रात्मक रूप से अलग किया।
- $\text{Mn}_3\text{NiN}$ में चुंबकीय क्षेत्र की निर्भरता को पिएज़ोमैग्नेटिक मोमेंट्स द्वारा नियंत्रित डोमेन पुनर्वितरण के रूप में पहचाना गया, जिसे केर-जैसे प्रभाव के माध्यम से पता लगाया गया।
  कैर-जैसे प्रभाव के माध्यम से पता लगाया गया।
- गैर-चुंबकीय योगदान को पंप-प्रेरित हीटिंग के रूप में जिम्मेदार ठहराया गया, जो आइसोट्रोपिक अपवर्तनांक को संशोधित करता है। यह योगदान फील्ड-स्वतंत्र पाया गया।
तापमान-निर्भर क्वेंचिंग डायनेमिक्स: $\text{Mn}_3\text{NiN}$ में, चुंबकीय-क्षेत्र-निर्भर घटक (जो चुंबकीय क्वेंचिंग को अलग करता है) ने बढ़ते तापमान के साथ डायनेमिक्स में एक संक्रमण को प्रकट किया।
- निम्न तापमान (25 K और 100 K) पर, सिस्टम ने सिंगल-स्टेप क्वेंचिंग (टाइप-I डीमैग्नेटाइजेशन) प्रदर्शित किया, जिसकी विशेषता समय $\tau_Q \approx 0.4$ ps थी।
- 200 K पर, डायनेमिक्स एक टू-स्टेप क्वेंचिंग प्रक्रिया (टाइप-II) में बदल गया, जिसमें एक तेज़ प्रारंभिक चरण ( $\tau_{Q,1} \approx 0.4$ ps) के बाद एक बहुत धीमा चरण ( $\tau_{Q,2} \approx 5$ ps) शामिल था। यह व्यवहार nc-AF ह्यूस्लर कंपाउंड $\text{Mn}_3\text{Sn}$ में रिपोर्ट की गई तापमान-स्वतंत्र क्वेंचिंग के विपरीत है और धात्विक फेरोमैग्नेट्स में देखे गए क्रॉसओवर के समान है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि यह जटिल प्रणालियों में पंप-प्रोब डेटा की सटीक व्याख्या करने के लिए एक कठोर ढांचा प्रदान करता है। लेखक प्रदर्शित करते हैं कि:

$\text{Mn}_3\text{NiN}$ में देखा गया चुंबकीय क्षेत्र निर्भरता, पल्स के दौरान सीधे स्पिन ऑर्डर के संशोधन के बजाय, पिएज़ोमैग्नेटिक मोमेंट्स द्वारा सक्षम फील्ड-नियंत्रित डोमेन पुनर्वितरण का परिणाम है।
$\text{Mn}_3\text{GaN}$ में चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति इसके विशिष्ट चुंबकीय समरूपता ( $\Gamma_{5g}$ ) का सीधा परिणाम है, जो रैखिक मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभावों को दबा देती है।
$\text{Mn}_3\text{NiN}$ में अल्ट्राफास्ट क्वेंचिंग डायनेमिक्स सार्वभौमिक नहीं हैं; वे टाइप-I से टाइप-II व्यवहार में तापमान-निर्भर क्रॉसओवर प्रदर्शित करते हैं, जो यह सुझाव देता है कि फोनन-मध्यस्थ प्रक्रियाएं या इलेक्ट्रॉन-स्पिन कपलिंग परिवर्तन महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जो धात्विक फेरोमैग्नेट्स के समान है।

यह अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि एंटीपेरोव्स्काइट सामग्रियों में अल्ट्राफास्ट डायनेमिक्स की सही व्याख्या के लिए डोमेन आबादी और बाहरी क्षेत्रों द्वारा उनके संशोधन को ध्यान में रखना आवश्यक है, न कि एक समान प्रतिक्रिया मान लेना। यह कार्य एंटीपेरोव्स्काइट्स में संरचनात्मक तनाव, चुंबकीय समरूपता और अल्ट्राफास्ट ऑप्टिकल उत्तेजना के बीच परस्पर क्रिया को समझने के लिए एक आधार स्थापित करता है।

बड़ी तस्वीर: "अदृश्य" स्पिन टीम

प्रयोग: टॉर्च और झुकाव

दो अलग-अलग टीमें: "ट्विस्टी" बनाम "फ्लैट"

तापमान का मोड़: एक कदम बनाम दो कदम

सारांश: उन्होंने क्या पाया

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