Exploring Multifunctionality in MgO-Based Magnetic Tunnel Junctions with Coexisting Magnetoresistance and Memristive Properties

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपका कंप्यूटर केवल निर्देशों के एक कठोर सेट का पालन नहीं करता, बल्कि वास्तव में अपने मस्तिष्क को खुद से फिर से व्यवस्थित कर सकता है, इंसानों की तरह सीख और अनुकूलित हो सकता है। यह "न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग" का सपना है, एक ऐसा क्षेत्र जो ऐसी मशीनें बनाने की कोशिश कर रहा है जो हमारे जैसा सोच सकें। इसे साकार करने के लिए, वैज्ञानिक दो विशेष प्रकार के छोटे इलेक्ट्रॉनिक स्विचों की तलाश कर रहे हैं। पहला है मैग्नेटिक टनल जंक्शन (MTJ), एक ऐसा उपकरण जो एक अति-संवेदनशील दिशा-सूचक यंत्र (कम्पास) की तरह काम करता है। यह चुंबकीय क्षेत्रों के आधार पर अपने विद्युत प्रतिरोध (resistance) को बदल देता है, जिससे यह डेटा स्टोर करने या हमारे आसपास की दुनिया को महसूस करने के लिए एकदम सही बन जाता है। दूसरा है मेमरिस्टर (Memristor), एक "मेमोरी रेसिस्टर" जो यह याद रख सकता है कि इसके माध्यम से कितना बिजली प्रवाहित हुआ है, और जब तक इसे बदलने के लिए कहा न जाए, यह अपने प्रतिरोध को स्थायी रूप से बदल देता है। MTJ को एक भरोसेमंद, उच्च-गति वाले ट्रैफिक लाइट के रूप में सोचें जो चुंबकीय तूफानों पर प्रतिक्रिया करता है, और मेमरिस्टर को एक डिमर स्विच के रूप में सोचें जो याद रखता है कि आपने कमरे की रोशनी कितनी कम या ज्यादा छोड़ी थी।

लंबे समय तक, ये दोनों तकनीकें अलग-अलग सामग्रियों और नियमों के साथ अलग-अलग घरों में रहती थीं। वैज्ञानिक उन्हें एक एकल, सुपर-पावर्ड डिवाइस में मिलाने की कोशिश करना चाहते थे जो एक साथ दोनों काम कर सके: चुंबकीय क्षेत्रों को महसूस करना और डेटा को याद रखना। लेकिन हर बार जब उन्होंने उन्हें मिलाने की कोशिश की, तो उनमें से एक जादुई ट्रिक टूट गई। यदि उन्होंने डिवाइस को चीजें याद रखने के लिए बनाया, तो इसने चुंबकीय संवेदना खो दी। यदि उन्होंने इसे एक बेहतरीन सेंसर बनाया, तो इसने याद रखना भूल गया। यह शोध पत्र इस बात की जांच करता है कि क्या हम अंततः एक "हाइब्रिड" डिवाइस बना सकते हैं जो बिना किसी एक को नुकसान पहुँचाए दोनों शक्तियों को जीवित रख सके।

---

वह जादुई स्विच जो दो काम करता है

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह देखने का निर्णय लिया कि क्या वे एक एकल डिवाइस बना सकते हैं जो एक चुंबकीय सेंसर और एक मेमोरी स्विच दोनों के रूप में कार्य करे। उन्होंने मैग्नीशियम ऑक्साइड (MgO) की एक पतली परत को बीच में बाधा (बैरियर) के रूप में उपयोग करते हुए, सामग्रियों के एक विशेष सैंडविच का उपयोग करके छोटे बेलनाकार स्तंभ बनाए। आमतौर पर, इलेक्ट्रॉन्स को इस बाधा को पार करने में कठिनाई होती है, लेकिन जब वे ऐसा करते हैं, तो डिवाइस चुंबकीय क्षेत्रों को महसूस कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि विशिष्ट विद्युत स्पंदों (electrical pulses) को लागू करके, वे इस चुंबकीय सेंसर को एक मेमोरी डिवाइस में बदल सकते हैं बिना इसकी चुंबकीय संवेदना को नष्ट किए। यह इस प्रकार काम करता है:

"फॉर्मिंग" (Forming) की ट्रिक
जब डिवाइस बिल्कुल नया होता है, तो यह केवल एक सामान्य चुंबकीय सेंसर होता है। इसकी मेमोरी साइड को जगाने के लिए, वैज्ञानिकों को इसे एक छोटा सा "झटका" देना पड़ा जिसे इलेक्ट्रोफॉर्मिंग (electroforming) कहा जाता है। उन्होंने पहली बार में एक उच्च वोल्टेज (लग लगभग 1.4 वोल्ट) लगाया। इसे एक बांध में छेद करने जैसा समझें; यह इन्सुलेटिंग बैरियर के माध्यम से एक सूक्ष्म, चालक पथ (filament) बनाता है। एक बार जब यह पथ बन जाता है, तो डिवाइस दो अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकता है:

1. लो रेजिस्टेंस स्टेट (LRS): पथ खुला है, और बिजली आसानी से बहती है।
2. हाई रेजिस्टेंस स्टेट (HRS): पथ बंद या टूटा हुआ है, और बिजली को गुजरने में संघर्ष करना पड़ता है।

यह स्विचिंग बायपोलर (bipolar) है, जिसका अर्थ है कि आपको पथ खोलने के लिए धनात्मक (positive) वोल्टेज और बंद करने के लिए ऋणात्मक (negative) वोल्टेज की आवश्यकता होती है। डिवाइस बिजली बंद होने के बाद भी याद रख सकता है कि वह किस अवस्था में है, जो इसे एक नॉन-वोलेटाइल मेमोरी बनाता है।

सबसे अच्छी बात: यह अपना होश नहीं खोता
सबसे रोमांचक खोज यह है कि डिवाइस ने अपनी चुंबक को महसूस करने की क्षमता नहीं खोई। "फॉर्म" होने और मेमोरी मोड में स्विच होने के बाद भी, यह अभी भी एक कार्यात्मक चुंबकीय सेंसर के रूप में कार्य करता था, हालांकि इसमें कुछ सीमाएं थीं।

• सेंसर: जब उन्होंने एक चुंबकीय क्षेत्र लागू किया, तो डिवाइस का प्रतिरोध एक चिकनी, सीधी रेखा (लीनियर रिस्पॉन्स) में बदला (बिना किसी उलझन भरे "हिस्टेरेसिस" या लैग के), जो एक अच्छे चुंबकीय क्षेत्र सेंसर की प्रमुख आवश्यकताएं हैं। हालांकि, शोधकर्ताओं ने नोट किया कि डिवाइस आदर्श अर्थों में "परफेक्ट" नहीं था: उच्चतम चुंबकीय क्षेत्र पर अधिकतम प्रतिरोध प्राप्त नहीं हुआ था, और विशिष्ट सामग्रियों और इस प्रयोग में उपयोग किए गए उपकरणों के बड़े आकार के कारण चुंबकीय सिग्नल (TMR) सामान्य से कम था। इन कमियों के बावजूद, सेंसर प्रभावी ढंग से काम कर रहा था।
• मेमोरी: साथ ही, वे केवल 10 नैनोसेकंड के छोटे विद्युत स्पंदों का उपयोग करके प्रतिरोध को कई गुना (2000% तक!) ऊपर-नीचे स्विच कर सकते थे।

सेंसर्स के लिए "ऑफ" स्विच
यहाँ एक बहुत ही दिलचस्प ट्रिक है जो उन्होंने खोजी। जब डिवाइस अपनी लो रेजिस्टेंस स्टेट (यानी "ऑन" मेमोरी स्टेट) में होता है, तो चुंबकीय संवेदन क्षमता पूरी तरह से गायब हो जाती है। ऐसा लगता है जैसे चुंबकीय सेंसर को बंद कर दिया गया हो। लेकिन जब वे इसे वापस हाई रेजिस्टेंस स्टेट में स्विच करते हैं, तो चुंबकीय संवेदन क्षमता पहले की तरह ही वापस आ जाती है।

एक जोड़ी चश्मे की कल्पना करें जो एक आंखों की पट्टी में बदल सकता है और फिर वापस चश्मे में बिल्कुल ठीक से बदल सकता है। इसका मतलब है कि आप इन उपकरणों का उपयोग सर्किट के हिस्सों को "बंद करने" या कंप्यूटर की वायरिंग को बदलने के लिए कर सकते हैं, और इसके लिए आपको चिप को भौतिक रूप से फिर से बनाने की आवश्यकता नहीं होगी।

गुप्त सामग्री: Ta डोपिंग
शोधकर्ताओं ने मैग्नीशियम ऑक्साइड बैरियर के बीच में टैंटलम (Ta) नामक धातु की एक छोटी मात्रा जोड़ने का भी प्रयास किया। यह एक रेसिपी में चुटकी भर मसाला डालने जैसा था।

• समझौता (Trade-off): टैंटलम जोड़ने से चुंबकीय संवेदनशीलता थोड़ी कमजोर हो गई (TMR अनुपात लगभग 45% से गिरकर 25% हो गया)।
• पुरस्कार (Reward): हालांकि, इसने मेमोरी स्विचिंग को बहुत अधिक ऊर्जा-कुशल बना दिया। डिवाइस को अवस्था बदलने के लिए 20% कम बिजली की आवश्यकता पड़ी। यह एक बड़ी बात है क्योंकि यदि आप ऐसे लाखों स्विचों वाला कंप्यूटर बना रहे हैं, तो 20% बिजली की बचत बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा बचाती है।

यह कैसे काम करता है (विज्ञान का हिस्सा)
टीम ने पता लगाया कि यह डिवाइस दो लेन वाले हाईवे की तरह काम करता है।

1. लेन ए (द टनल): इलेक्ट्रॉन MgO बैरियर के माध्यम से टनलिंग करते हैं। यहीं पर चुंबकीय संवेदन होता है।
2. लेन बी (द शॉर्टकट): जब डिवाइस "लो रेजिस्टेंस" स्टेट में होता है, तो दोषों (defects) का एक छोटा सा फिलामेंट (संभवतः ऑक्सीजन रिक्तियां) बनता है, जो बैरियर को बायपास करने वाला एक शॉर्टकट बनाता है। यह शॉर्टकट बिजली ले जाता है लेकिन चुंबकीय क्षेत्र को नजरअंदाज करता है।

जब शॉर्टकट पूरी तरह खुला होता है (लो रेजिस्टेंस), तो यह चुंबकीय सिग्नल को दबा देता है, जिससे डिवाइस एक साधारण रेसिस्टर की तरह व्यवहार करता है। जब शॉर्टकट बंद होता है (हाई रेजिस्टेंस), तो इलेक्ट्रॉन्स को वापस टनल में जाने के लिए मजबूर किया जाता है, और चुंबकीय संवेदनशीलता लौट आती है। वोल्टेज को सावधानी से नियंत्रित करके, वे "बीच-बीच" की अवस्थाएं भी बना सकते थे, जिससे डिवाइस केवल ऑन/ऑफ बटन के बजाय एक डिमर स्विच की तरह काम करता है। यह क्वासी-एनालॉग (quasi-analogue) व्यवहार, मानव मस्तिष्क के न्यूरॉन्स के काम करने के तरीके की नकल करने के लिए एकदम सही है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह अध्ययन साबित करता है कि आपको चुंबकीय सेंसर और मेमोरी स्विच के बीच चुनाव करने की आवश्यकता नहीं है; आप एक ही छोटे पैकेज में दोनों पा सकते हैं। ये उपकरण स्थिर हैं, अविश्वसनीय रूप से तेज़ स्विच कर सकते हैं (10 नैनोसेकंड तक) और इन्हें बहुत छोटे आकार (इस अध्ययन में 5 माइक्रोमीटर तक) तक स्केल किया जा सकता है।

लेखक सुझाव देते हैं कि यह पुनर्गठनीय सर्किट (reconfigurable circuits) के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकता है। एक ऐसे कंप्यूटर चिप की कल्पना करें जहाँ आप एक पल्स भेजकर किसी कनेक्शन को "मिटा" सकते हैं या एक नया "बना" सकते हैं, जो प्रभावी रूप से बनने के बाद भी कंप्यूटर के मस्तिष्क की संरचना को बदल सकता है। इससे कारों और चिकित्सा उपकरणों के लिए स्मार्ट, अधिक लचीले सेंसर और मस्तिष्क की तरह सीखने और अनुकूलित होने वाले शक्तिशाली नए प्रकार के कंप्यूटर मिल सकते हैं। जबकि शोधकर्ता नोट करते हैं कि इन्हें और भी छोटा (नैनोमीटर स्केल तक) बनाने में नई चुनौतियां आ सकती हैं, यह कार्य एक ऐसे भविष्य की ओर एक आशाजनक पहला कदम है जहाँ हमारे इलेक्ट्रॉनिक्स वास्तव में बहु-कार्यात्मक और पुन: प्रोग्राम करने योग्य होंगे।