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Ultra-Soft Ferrimagnetism in a High-Entropy Spinel Oxide Driven by Site-Selective Cation Disorder

यह अध्ययन एक नए उच्च-एन्ट्रॉपी स्पिनल ऑक्साइड की रिपोर्ट करता है जिसमें 1.8 Oe की असाधारण रूप से कम कोएर्सिविटी और कमरे के तापमान पर उच्च विद्युत प्रतिरोधकता के साथ अल्ट्रा-सॉफ्ट फेरिमैग्नेटिज्म है, जो साइट-चयनात्मक धनायन विकार (साइट-सेलेक्टिव केशन डिसऑर्डर) द्वारा संचालित है जो कम-लॉस, उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए इसकी क्षमता को सक्षम बनाता है।

मूल लेखक: Neha Sharma, AmritPal, Nikita Sharma, Mathieu Duttine, Denis Pelloquin, S. D. Kaushik, Sanjoy Mahatha, Olivier Toulemonde, Sourav Marik

प्रकाशित 2026-06-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Neha Sharma, AmritPal, Nikita Sharma, Mathieu Duttine, Denis Pelloquin, S. D. Kaushik, Sanjoy Mahatha, Olivier Toulemonde, Sourav Marik

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 हर कोई अपना साथी खोजने की कोशिश कर रहा है। अधिकांश सामग्रियों में, नर्तक व्यवस्थित होते हैं: मजबूत लोग एक घेरे में खड़े होते हैं, हल्के लोग दूसरे घेरे में, और वे पूर्ण, कठोर तालमेल के साथ चलते हैं। यह व्यवस्था सामग्री को चुंबकीय रूप से "कठोर" बनाती है: नृत्य शुरू करना कठिन होता है, और एक बार जब वे रुक जाते हैं, तो वे आसानी से छोड़ना नहीं चाहते। यह वही होता है जो आमतौर पर मानक चुंबकीय सामग्रियों के साथ होता है।

अब, एक नए तरह के डांस फ्लोर की कल्पना करें जहाँ नियम उलट गए हैं। यह एक नई सामग्री की कहानी है जिसे वैज्ञानिकों की एक टीम ने खोजा है, जिसे वे "हाई-एन्ट्रॉपी स्पिनल ऑक्साइड" (High-Entropy Spinel Oxide) कहते हैं।

यहाँ उनकी खोज का सरल शब्दों में विवरण दिया गया है:

1. "अराजकता" का नुस्खा (The "Chaos" Recipe)

आमतौर पर, वैज्ञानिक कुछ विशिष्ट सामग्रियों को मिलाकर सामग्रियां बनाते हैं। हालाँकि, इस टीम ने एक "पांच-तरफा पार्टी" करने का फैसला किया। उन्होंने पांच अलग-अलग धातु तत्वों (निकल, मैग्नीशियम, कोबाल्ट, कॉपर और जिंक) को समान मात्रा में मिलाया, साथ ही दो अन्य (मैंगनीज और आयरन) भी जोड़े।

इसे एक स्मूदी की तरह समझें जहाँ आप केवल एक स्ट्रॉबेरी स्मूथी बनाने के बजाय पांच अलग-अलग फलों को समान भागों में मिलाते हैं। विज्ञान में, यह अराजक मिश्रण "हाई एन्ट्रॉपी" नामक कुछ बनाता है। परमाणुओं के व्यवस्थित, अनुमानित पंक्तियों में होने के बजाय, वे "नियंत्रित अराजकता" की स्थिति में एक साथ मिले हुए हैं। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह अराजकता वास्तव में सामग्री को स्थिर करने में मदद करती है, जिससे यह बिखरने से बच जाती है।

2. "अल्ट्रा-सॉफ्ट" चुंबक (The "Ultra-Soft" Magnet)

इस सामग्री के व्यवहार के बारे में सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि यह चुंबकीय रूप से कैसे व्यवहार करती है।

समस्या: अधिकांश चुंबक सख्त स्प्रिंग की तरह होते हैं। यदि आप उनकी चुंबकीय दिशा बदलने की कोशिश करते हैं, तो वे जोर से विरोध करते हैं। इस "विरोध" को कोएर्सिविटी (coercivity) कहा जाता है। उच्च कोएर्सिविटी का अर्थ है कि चुंबक "कठोर" है और इसे जल्दी से चालू और बंद करने पर ऊर्जा का नुकसान होता है।
खोज: यह नई सामग्री एक "अल्ट्रा-सॉफ्ट" चुंबक है। वैज्ञानिकों ने इसकी चुंबकीय दिशा बदलने की कठिनाई को मापा और पाया कि इसे बदलना अविश्वसनीय रूप से आसान था। इसकी कोएर्सिविटी मात्र 1.8 Oe (चुंबकीय बल की एक इकाई) है।
उपमा: एक भारी, जंग लगे दरवाजे (एक सामान्य चुंबक) को घुमाने बनाम एक पूरी तरह से तेल लगे कब्जे वाले दरवाजे (यह नई सामग्री) को घुमाने की कल्पना करें। नई सामग्री बिना किसी प्रयास के लगभग शून्य प्रयास के खुलती और बंद होती है। वास्तव में, शोध पत्र का दावा है कि यह ठोस ब्लॉक में पाई जाने वाली अब तक की सबसे "सॉफ्ट" (आसानी से स्विच होने वाली) चुंबकीय सामग्रियों में से एक है।

3. बिजली का "ट्रैफिक जाम" (The "Traffic Jam" of Electricity)

जबकि चुmagnetism बहुत सुचारू है, बिजली इस सामग्री के माध्यम से गुजरने से नफरत करती है।

यह सामग्री एक बहुत अच्छा इंसुलेटर (कुचालक) है। इसमें उच्च विद्युत प्रतिरोध होता है।
यह क्यों मायने रखता है: सामान्य चुंबकों में, बिजली पाइप में पानी की तरह अंदर घूम सकती है, जिससे गर्मी पैदा होती है और ऊर्जा बर्बाद होती है (जिसे "एडी करंट्स" कहा जाता है)। चूंकि यह सामग्री बिजली को बहुत अच्छी तरह से रोकती है, इसलिए वे बर्बादी वाले भंवर (swirls) नहीं हो सकते।

4. उन्होंने इसे कैसे समझा (जासूसी कार्य) (How They Figured It Out)

वैज्ञानिकों ने केवल अनुमान नहीं लगाया कि यह सामग्री इतनी विशेष क्यों है; उन्होंने यह देखने के लिए एक "जासूसी किट" का उपयोग किया कि परमाणु वास्तव में कहाँ बैठे हैं।

पहेली: "स्पिनल" नामक क्रिस्टल संरचना में, दो प्रकार की सीटें होती हैं: छोटी सीटें (टेट्राहेड्रल) और बड़ी सीटें (ऑक्टाहेड्रल)। आमतौर पर, परमाणु अपने आकार के आधार पर सीट चुनते हैं। लेकिन पांच अलग-अलग धातुओं के मिश्रण के साथ, यह एक अव्यवस्था है।
सुराग: उन्होंने परमाणुओं के बैठने की जगह को देखने के लिए न्यूट्रॉन डिफ्रैक्शन (सामग्री पर न्यूट्रॉन दागना), मोसबॉयर स्पेक्ट्रोस्कोपी (आयरन परमाणुओं की "आवाज" सुनना), और एक्स-रे एब्जॉर्प्शन (परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों की जांच करना) जैसे शक्तिशाली उपकरणों का उपयोग किया।
फैसला: उन्होंने पाया कि परमाणु एक विशिष्ट, अव्यवस्थित पैटर्न में बस गए थे। अलग-अलग सीटों पर बैठे परमाणुओं की "अराजकता" ने वास्तव में उस आंतरिक घर्षण को रद्द कर दिया जो आमतौर पर चुंबकों को कठोर बनाता है। यह ऐसा है जैसे यदि डांस फ्लोर पर नर्तक सभी थोड़ी अलग दिशाओं में चल रहे हों, तो वे अनजाने में एक-दूसरे के प्रतिरोध को रद्द कर देते हैं, जिससे पूरा समूह सुचारू रूप से मुड़ पाता है।

5. परिणाम: एक "गोल्डिलॉक्स" सामग्री (The Result: A "Goldilocks" Material)

शोध पत्र तीन ऐसे गुणों के दुर्लभ संयोजन को उजागर करता है जो आमतौर पर एक साथ नहीं चलते:

मजबूत चुंबकत्व: यह चुंबकीय चार्ज को अच्छी तरह से बनाए रखता है (यह एक फेरीमैग्नेट है)।
अल्ट्रा-सॉफ्ट स्विचिंग: यह लगभग शून्य प्रयास के साथ दिशा बदलता है (कम ऊर्जा हानि)।
उच्च प्रतिरोध: यह बिजली को रोकता है, जिससे गर्मी के रूप में ऊर्जा की हानि नहीं होती है।

वैज्ञानिकों ने पाया कि यह सामग्री उच्च तापमान (420 K या लगभग 147°C तक) पर भी चुंबकीय रहती है, जो एक सामान्य रसोई के ओवन से भी अधिक गर्म है।

सारांश (Summary)

शोध पत्र का दावा है कि उन्होंने एक "हाई-एन्ट्रॉपी" (अराजक) संरचना बनाने के लिए जानबूझकर पांच अलग-अलग धातुओं को मिलाकर एक नए प्रकार की चुंबकीय सामग्री बनाई है। परमाणुओं की यह विशिष्ट अव्यवस्था एक लुब्रिकेंट (स्नेहक) की तरह कार्य करती है, जिससे सामग्री चुंबकीय रूप से स्विच करना अत्यंत आसान हो जाता है और साथ ही बिजली को भी रोकती है। लेखक सुझाव देते हैं कि यह उन उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक आदर्श उम्मीदवार है जिन्हें बिना गर्मी के रूप में ऊर्जा बर्बाद किए तेजी से चुंबकीय अवस्थाओं को बदलने की आवश्यकता होती है।

तकनीकी सारांश: साइट-चयनात्मक धनायन विकार (Site-Selective Cation Disorder) द्वारा संचालित एक उच्च-एन्ट्रॉपी स्पिनल ऑक्साइड में अल्ट्रा-सॉफ्ट फेरीमैग्नेटिज्म

समस्या और प्रेरणा
उच्च-एन्ट्रॉपी ऑक्साइड (HEOs) सामग्री डिजाइन में एक प्रतिमान परिवर्तन (paradigm shift) का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो जटिल, एन्ट्रॉपी-स्थिरत ठोस विलयन बनाने के लिए पांच या अधिक तत्वों का समतुल्य या निकट-समतुल्य अनुपात में उपयोग करते हैं। जबकि ये सामग्रियां असाधारण संरचनात्मक और कार्यात्मक बहुमुखी प्रतिभा प्रदान करती हैं, उनकी रासायनिक विविधता मौलिक संरचना-गुण संबंधों को समझने के लिए महत्वपूर्ण चुनौतियां पेश करती है। विशेष रूप से, स्पिनल ऑक्साइड ( $AB_2O_4$ ) में, टेट्राहेड्रल (A) और ऑक्टाहेड्रल (B) साइटों के बीच सटीक धनायन वितरण एक दीर्घकालिक चुनौती बनी हुई है, विशेष रूप से तब जब विभिन्न ऑक्सीकरण और स्पिन अवस्थाओं वाले कई प्रमुख धनायन सह-अस्तित्व में हों। यह साइट-विशिष्ट अधिभोग (occupancy) चुंबकीय अंतःक्रियाओं और ट्यूनेबिलिटी को सीधे नियंत्रित करता है। उच्च-एन्ट्रॉपी स्पिनल्स पर पिछले अध्ययनों ने स्पिन-ग्लास जैसे व्यवहार और उन्नत एक्सचेंज बायस सहित विभिन्न चुंबकीय व्यवहार प्रदर्शित किए हैं, लेकिन कम-हानि, उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए कमरे के तापमान से ऊपर मजबूत फेरीमैग्नेटिज्म और अल्ट्रा-लो कोएर्सिविटी (सॉफ्ट चुंबकीय व्यवहार) के संयोजन को प्राप्त करना एक महत्वपूर्ण उद्देश्य बना हुआ है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने एक नया उच्च-एन्ट्रॉपी स्पिनल ऑक्साइड जिसका नाममात्र संयोजन $(Ni_{0.2}Mg_{0.2}Co_{0.2}Cu_{0.2}Zn_{0.2})(MnFe)O_4$ है, संश्लेषित किया। इस सामग्री के लक्षण वर्णन के लिए, एक बहु-आयामी प्रयोगात्मक दृष्टिकोण अपनाया गया:

संरचनात्मक और सूक्ष्म संरचनात्मक विश्लेषण: रूम-टेम्परेचर पाउडर एक्स-रे विवर्तन (XRD) ने चरण (phase) की पुष्टि की। नैनोस्केल पर आकारिकी (morphology), कण आकार और रासायनिक एकरूपता का आकलन करने के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और ऊर्जा-विक्षेपण एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) के साथ स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (STEM) का उपयोग किया गया।
स्थानीय संरचनात्मक प्रोब: जालक विकार (lattice disorder) और फोनन मोड का विश्लेषण करने के लिए रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया गया।
इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय अवस्था लक्षण वर्णन: Mn और Fe L-किनारों पर एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (XAS) ने ऑक्सीकरण अवस्थाओं और समन्वय परिवेश को निर्धारित किया। $^{57}$ Fe मॉसबॉयर स्पेक्ट्रोस्कोपी ने निम्न तापमान (5 K) पर आयरन आयनों के स्थानीय चुंबकीय वातावरण और साइट अधिभोग के बारे में जानकारी प्रदान की।
न्यूट्रॉन पाउडर विवर्तन (NPD): 10 K पर एकत्र किए गए NPD डेटा का रिटलवेल्ड रिफाइनमेंट (Rietveld refinement) किया गया। यह विश्लेषण, XAS और मॉसबॉयर परिणामों और ऑक्टाहेड्रल साइट प्रेफरेंस एनर्जी (OSPE) अवधारणाओं द्वारा निर्देशित, ने धनायन साइट अधिभोग और चुंबकीय संरचनाओं को मात्रात्मक रूप से हल किया।
चुंबकीय और विद्युत माप: चुंबकीय संक्रमण तापमान, कोएर्सिविटी और संतृप्ति चुंबकत्व (saturation magnetization) निर्धारित करने के लिए DC चुंबकन (ZFC/FC और M-H लूप) का मापन किया गया। कमरे के तापमान पर विद्युत प्रतिरोधकता मापी गई। डोमेन संरचनाओं को विज़ुअलाइज़ करने के लिए मैग्नेटिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (MFM) का उपयोग किया गया।

मुख्य परिणाम

संरचनात्मक एकरूपता: सामग्री एक एकल-चरण क्यूबिक स्पिनल संरचना (स्पेस ग्रुप $Fd\bar{3}m$ ) में क्रिस्टलीकृत होती है जिसका जालक पैरामीटर $a \approx 8.408$ Å है। सूक्ष्म विश्लेषण ने ~4.8 µm के औसत आकार के साथ सघन पॉलीहेड्रल ग्रेन्स और नैनोमीटर स्केल पर समान तत्व वितरण की पुष्टि की।
धनायन वितरण: संयुक्त विश्लेषण ने एक विशिष्ट साइट-चयनात्मक विकार (site-selective disorder) का खुलासा किया। परिष्कृत रासायनिक सूत्र $[Mg_{0.2}Cu_{0.2}Zn_{0.2}Mn_{0.17}Fe_{0.22}]_{A}[Ni_{0.1}Mn_{0.42}Fe_{0.37}Co_{0.1}]_{2}O_4$ $[M g_{0.2} C u_{0.2} Z n_{0.2} M n_{0.17} F e_{0.22}]_{A} [N i_{0.1} M n_{0.42} F e_{0.37} C o_{0.1}]_{2} O_{4}$ है।
- A-साइट (टेट्राहेड्रल): Mg, Cu, Zn द्वारा प्रधान है और इसमें Mn तथा Fe का आंशिक अधिभोग है।
- B-साइट (ऑक्टाहेड्रल): Mn, Fe और Ni द्वारा प्रधान है, जिसमें Co भी उपस्थित है।
- 5 K पर मॉसबॉयर स्पेक्ट्रोस्कोपी ने ऑक्टाहेड्रल (68%) और टेट्राहेड्रल (31%) साइटों के बीच वितरित Fe $^{3+}$ आयनों की पुष्टि की।
चुंबकीय गुण:
- संक्रमण तापमान: सामग्री $T_C \approx 420$ K पर एक तीव्र फेरीमैग्नेटिक ट्रांजिशन प्रदर्शित करती है, जो कमरे के तापमान से काफी ऊपर है।
- अल्ट्रा-सॉफ्ट व्यवहार: 300 K पर, सामग्री 1.8 Oe की असाधारण रूप से कम कोएर्सिविटी ( $H_C$ ) प्रदर्शित करती है, जो बल्क स्पिनल ऑक्साइड के लिए रिपोर्ट किए गए सबसे कम मानों में से एक है। यह तुलनीय लो-एन्ट्रॉपी या अन्य उच्च-एन्ट्रॉपी स्पिनल्स (जो आमतौर पर $H_C > 10$ Oe दिखाते हैं) की तुलना में काफी कम है।
- संतृप्ति चुंबकत्व: 300 K पर संतृप्ति चुंबकत्व ( $M_s$ ) 38.4 emu/g (8834 emu/mole) है।
- चुंबकीय संरचना: NPD रिफाइनमेंट $k = (0,0,0)$ के प्रोपेगेशन वेक्टर के साथ दीर्घ-रेंज कोलीनियर फेरीमैग्नेटिक ऑर्डरिंग की पुष्टि करता है। नॉन-कोलीनियर रिफ्लेक्शंस की अनुपस्थिति याफेट-किटेल कैंटिंग (Yafet-Kittel canting) को खारिज करती है।
विद्युत गुण: सामग्री कमरे के तापमान पर 1560 $\Omega$ -cm की उच्च विद्युत प्रतिरोधकता प्रदर्शित करती है।
सॉफ्टनेस का तंत्र: अल्ट्रा-सॉफ्ट व्यवहार को विशिष्ट साइट-चयनात्मक धनायन विकार के कारण जिम्मेदार ठहराया गया है। कई चुंबकीय धनायनों द्वारा क्रिस्टलोग्राफिक साइटों का यादृच्छिक अधिभोग स्थानीय एनिसोट्रॉपी योगदान के सांख्यिकीय औसत की ओर ले जाता है, जिससे प्रभावी मैग्नेटोक्रिस्टलाइन एनिसोट्रॉपी कम हो जाती है और डोमेन-वॉल पिनिंग केंद्रों को न्यूनतम किया जाता है। इसकी पुष्टि MFM छवियों द्वारा की गई, जो बिना किसी मजबूत पिनिंग साइट के सुचारू, विस्तृत चुंबकीय कंट्रास्ट दिखाती हैं। Cr या Al के साथ Mn के व्यवस्थित प्रतिस्थापन ने कोएर्सिविटी को बढ़ा दिया, जो विशिष्ट धनायन व्यवस्था के प्रति सॉफ्ट स्टेट की संवेदनशीलता की पुष्टि करता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि यह उच्च-एन्ट्रॉपी स्पिनल ऑक्साइड गुणों का एक दुर्लभ संयोजन प्रस्तुत करता है: कमरे के तापमान से काफी ऊपर मजबूत फेरीमैग्नेटिक ऑर्डरिंग, उच्च विद्युत प्रतिरोधकता और अल्ट्रा-लो कोएर्सिविटी। लेखक तर्क देते हैं कि इस सामग्री का अल्ट्रा-सॉफ्ट चुंबकीय व्यवहार स्पिनल फेरीमैग्नेटिज्म या केवल कॉन्फ़िगरेशनल एन्ट्रॉपी का सामान्य परिणाम नहीं है, बल्कि यह विशेष रूप से उच्च-एन्ट्रॉपी ढांचे के भीतर इंजीनियर किए गए साइट-चयनात्मक धनायन विकार द्वारा संचालित है।

इस कार्य का महत्व इस बात में निहित है कि धनायन विकार इंजीनियरिंग प्रभावी रूप से चुंबकीय प्रदर्शन को अनुकूलित (tailor) कर सकती है। उच्च प्रतिरोधकता और अल्ट्रा-लो कोएर्सिविटी का सह-अस्तित्व हिस्टेरेसिस और एडी करंट लॉस दोनों को कम करता है, जो इस सामग्री को kHz–MHz रेंज में काम करने वाले उन्नत सॉफ्ट-मैग्नेटिक ऑक्साइड अनुप्रयोगों जैसे कि हाई-फ्रीक्वेंसी ट्रांसफार्मर, पावर इंडक्टर्स और EMI सप्रेशन घटकों के लिए एक मजबूत उम्मीदवार के रूप में स्थापित करता है। यह अध्ययन एक विस्तृत रोडमैप प्रदान करता है कि कैसे उच्च-एन्ट्रॉपी सिस्टम में जटिल धनायन वितरणों का उपयोग उन कार्यात्मक गुणों को प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है जो पारंपरिक सॉलिड सॉल्यूशंस में अप्राप्य हैं।