Optical switching of magnetic order in few-layer CrSBr
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कम-शक्ति वाला निरंतर-तरंग (continuous-wave) लेजर प्रकाशन मैग्नेटो-एक्सिटोन के माध्यम से कुछ-परत वाले CrSBr में चुंबकीय क्रम को ऑप्टिकल रूप से स्विच और नियत रूप से नियंत्रित कर सकता है, जो मैग्नेटो-ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ आप जानकारी स्याही से नहीं, बल्कि प्रकाश से लिख सकते हैं, और इसे ऐसे पदार्थों में संग्रहीत कर सकते हैं जो छोटे, अदृश्य चुंबकों की तरह काम करते हैं। यह "स्पिंटोनिक्स" (spintronics) का रोमांचक क्षेत्र है, जो भौतिक विज्ञान की एक शाखा है जो इलेक्ट्रॉनों के "स्पिन" (एक क्वांटम गुण जो उन्हें सूक्ष्म बार-चुंबक की तरह व्यवहार करने पर मजबूर करता है) का उपयोग करके तेज़, छोटे और अधिक कुशल कंप्यूटर बनाने की कोशिश करती है। दशकों से, वैज्ञानिक इन चुंबकीय स्विचों को भारी तारों या मजबूत चुंबकों के बजाय लेजर का उपयोग करके पलटने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं। लक्ष्य ऐसे उपकरण बनाना है जो प्रकाश की गति से डेटा को पढ़ और लिख सकें। ऐसा करने के लिए, शोधकर्ता "दो-आयामी चुंबकों" (two-dimensional magnets) नामक एक विशेष वर्ग के पदार्थों पर नज़र रख रहे हैं। इन्हें चुंबकीय चादरों के रूप में सोचें जो इतनी पतली हैं कि वे केवल कुछ परमाणुओं जितनी मोटी हैं। ऐसा ही एक पदार्थ CrSBr (उच्चारण: क्रोमियम-सल्फर-ब्रोमाइड) हाल ही में एक प्रमुख दावेदार बनकर उभरा है क्योंकि यह एक अर्धचालक (semiconductor) की तरह व्यवहार करता है (यह बिजली का संचालन कर सकता है) और साथ ही चुंबकीय भी है, और इसमें एक विशेष तरकीब है: जब इसकी चुंबकीय अवस्था बदलती है तो यह प्रकाश के साथ चमकता है, जो एक अंतर्निहित 'स्टेटस लाइट' की तरह कार्य करता है।
इस अध्ययन में, जर्मनी, जापान और चेक गणराज्य के शोधकर्ताओं की एक टीम ने खोजा कि वे इन अत्यंत पतली CrSBr चादरों में चुंबकीय स्विचों को केवल एक बहुत ही कमजोर लेजर बीम का उपयोग करके कैसे पलट सकते हैं। उन्होंने पाया कि एक निरंतर-तरंग लेजर (एक स्थिर प्रकाश किरण, फ्लैशिंग वाली नहीं) के साथ, जिसकी शक्ति केवल कुछ माइक्रोवाट तक कम हो—जो लगभग एक छोटे LED इंडिकेटर लाइट की शक्ति के बराबर है—वे सामग्री को अपनी चुंबकीय संरेखण बदलने के लिए मजबूर कर सकते थे। यह तब हुआ जब सामग्री पहले से ही एक "निकट-क्रांतिक" (near-critical) अवस्था में थी, जिसका अर्थ है कि वह मुश्किल से एक चुंबकीय विन्यास को थामे हुए थी और उसे दूसरे में बदलने के लिए एक हल्के से धक्के की आवश्यकता थी। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह प्रकाश-प्रेरित बदलाव सामग्री के विशिष्ट स्थानों पर हो सकता है, और इससे भी अधिक आश्चर्यजनक रूप से, यह सामग्री के पड़ोसी क्षेत्र में भी बदलाव ला सकता था, भले ही प्रकाश ने उसे कभी छुआ भी न हो, जैसे कि चुंबकीय परिवर्तन किसी छिपे हुए संबंध के माध्यम से "टेलीपोर्ट" हो गया हो। उन्होंने यह भी दिखाया कि इस पद्धति का उपयोग सामग्री की चुंबकीय अवस्था को विशेष रूप से एक "शून्य-क्षेत्र" (zero-field) स्थिति में निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है, जो अनिवार्य रूप से एक "0" या "1" बिट सूचना लिखता है जिसे बाद में इसके चमकने के तरीके को देखकर पढ़ा जा सकता है।
टीम ने यह पता लगाने के लिए कि यह जादू कैसे हुआ, कुछ स्पष्ट संदिग्धों को खारिज कर दिया। उन्होंने यह जांचा कि क्या लेजर सामग्री को टोस्टर की तरह गर्म कर रहा था, लेकिन डेटा ने किसी भी थर्मल बदलाव या सामग्री के गर्म होने के संकेत नहीं दिखाए जिससे परिवर्तन होता। उन्होंने "फोटो-डोपिंग" (जहाँ प्रकाश सामग्री में अतिरिक्त विद्युत आवेश जोड़ता है) के संकेतों की भी तलाश की, लेकिन कोई संकेत नहीं मिले। इसके बजाय, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि ऊर्जा सामग्री में "एक्सिटोन" (excitons) नामक विशेष कण-जैसे उत्तेजनाओं के बीच की परस्पर क्रिया से आती है। जब लेजर CrSBr से टकराता है, तो यह इन एक्सिटोन को बनाता है, जो फिर अपनी ऊर्जा सीधे चुंबकीय स्पिन को स्थानांतरित करते हैं, जो एक सूक्ष्म हथौड़े की तरह कार्य करते हैं जो स्पिन को नई स्थिति में मार देते हैं। यह प्रक्रिया अविश्वसनीय रूप से कुशल है; वास्तव में, जब उन्होंने लेजर को एक्सिटोन की सटीक ऊर्जा के साथ ट्यून किया, तो उन्हें स्विच करने के लिए दस गुना कम शक्ति की आवश्यकता पड़ी।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि ये चुंबकीय परिवर्तन सामग्री में कैसे फैलते हैं। उन्होंने पाया कि CrSBr में चुंबकीय परतें एक "पार्श्व विनिमय पूर्वाग्रह" (lateral exchange bias) द्वारा जुड़ी हुई हैं, जो विभिन्न क्षेत्रों के बीच एक तंग रस्सी या साझा तनाव की तरह कार्य करता है। इस जुड़ाव के कारण, यदि वे लेजर का उपयोग करके क्रिस्टल के तीन-परत वाले हिस्से की चुंबकत्व को पलटते हैं, तो पड़ोसी दो-परत वाला हिस्सा भी उसके साथ पलट जाएगा, भले ही लेजर ने दो-परत वाले हिस्से को कभी छुआ भी न हो। यह "रिमोट स्विचिंग" (दूरस्थ स्विचिंग) सुझाव देती है कि इन सामग्रियों का उपयोग जटिल पैटर्न में चुंबकीय डोमेन को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है, जो संभावित रूप से ऐसे चुंबकीय मेमोरी डिवाइस बनाने की अनुमति देता है जहाँ डेटा का एक बिट लिखना स्वचालित रूप से उसके पड़ोसियों की स्थिति को सेट कर देता है। लेजर की शक्ति और बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, टीम एक "मेटास्टेबल" (metastable) अवस्था भी बना सकती थी—एक अस्थायी, बीच की चुंबकीय विन्यास—जो एक चेकपॉइंट के रूप में कार्य करती है। उन्होंने इसका उपयोग सामग्री को रीसेट करने, प्रकाश का उपयोग करके एक विशिष्ट चुंबकीय अवस्था लिखने और फिर इसे बिना बाधित किए वापस पढ़ने के लिए एक प्रोटोकॉल बनाने के लिए किया, जो बिल्कुल एक चुंबकीय मेमोरी बिट की तरह है जिसे प्रोग्राम और सत्यापित किया जा सकता है।
अंततः, यह कार्य स्थापित करता है कि ऑप्टिकल स्विचिंग इन दो-आयामी सामग्रियों में चुंबकत्व को नियंत्रित करने के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली उपकरण है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह नए प्रकार के मैग्नेटो-ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की ओर ले जा सकता है, जहाँ प्रकाश और चुंबकत्व सूचना को संग्रहीत और संसाधित करने के लिए मिलकर काम करते हैं। हालांकि उन्होंने इस अध्ययन में एक पूर्ण कंप्यूटर चिप नहीं बनाई, लेकिन उन्होंने सिद्ध किया कि मौलिक तंत्र अत्यंत कम ऊर्जा लागत के साथ काम करता है। उन्होंने भविष्य की संभावनाओं की ओर भी इशारा किया, जैसे कि बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के चुंबकीय व्यवहार को नियंत्रित करने के लिए परतों के "ट्विस्ट" (मोड़) का उपयोग करना, जो पूरी तरह से ऑप्टिकल चुंबकीय मेमोरी की दिशा में एक बड़ा कदम होगा। अध्ययन पुष्टि करता है कि केवल कुछ माइक्रोवाट प्रकाश के साथ, हम पदार्थ के चुंबकीय क्रम के साथ नृत्य करना शुरू कर सकते हैं, जिससे एक ऐसे भविष्य का द्वार खुलता है जहाँ हमारा डेटा स्टोरेज उस प्रकाश जितना तेज़ और लचीला होगा जिससे इसे लिखा जाता है।
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