🔬 mesoscale physics

Large bias-tunable magnetoresistance from spin-dependent interlayer hybridization in van der Waals antiferromagnet CrSBr-based heterostructures

यह अध्ययन प्रकट करता है कि CrSBr-आधारित वैन डेर वाल्स हेटरोस्ट्रक्चर में बड़ा, बायस-ट्यूनेबल मैग्नेटोरेसिस्टेंस स्पिन-डिपेंडेंट इंटरलेयर हाइब्रिडाइजेशन से उत्पन्न होता है जो चुंबकत्व कोण (मैग्नेटाइजेशन एंगल) के साथ बैरियर बैंड-एज ऑफसेट को रैखिक रूप से मॉड्यूलेट करता है, न कि जूलियर मॉडल (Jullière model) द्वारा वर्णित इलेक्ट्रोड स्पिन पोलराइजेशन से।

मूल लेखक: Sadeed Hameed (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany), Aditya Kumar (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany), Chengjie Yu (School

प्रकाशित 2026-08-13

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Sadeed Hameed (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany), Aditya Kumar (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany), Chengjie Yu (School of Physics and Electronic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, China), Aravind P. Balan (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany, Department of Materials Science and NanoEngineering, Rice University, Houston, Texas, USA), Xinran Wang (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany), Lichuan Zhang (School of Physics and Electronic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, China), Yuriy Mokrousov (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany, Peter Grünberg Institut and Institute for Advanced Simulation, Forschungszentrum Jülich and JARA, Jülich, Germany), Mathias Kläui (Institute of Physics, Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany, Centre for Quantum Spintronics, Department of Physics, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway)

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

इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया की कल्पना एक हलचल भरे शहर के रूप में करें जहाँ सूचना के नन्हे पैकेट, जिन्हें इलेक्ट्रॉन कहा जाता है, हमारे फोन और कंप्यूटर को चलाने के लिए तारों के माध्यम से दौड़ते हैं। दशकों से, यह शहर "स्पिंट्रोनिक्स" नामक एक चतुर तकनीक पर निर्भर रहा है। केवल इलेक्ट्रॉन के चार्ज (जैसे एक बैटरी) का उपयोग करने के बजाय, वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि वे इसके "स्पिन" का भी उपयोग कर सकते हैं—एक सूक्ष्म, अदृश्य चुंबकीय गुण जो इलेक्ट्रॉन को एक छोटे कंपास की सुई की तरह ऊपर या नीचे की ओर इशारा करने जैसा बनाता है। इन सुइयों को छाँटकर, हम डेटा को अधिक कुशलता से संग्रहीत कर सकते हैं और तेज़, स्मार्ट उपकरण बना सकते हैं।

हालाँकि, इसमें एक पेंच है। अधिकांश चुंबकीय तकनीकें ऐसे पदार्थों पर निर्भर करती हैं जो हवा के प्रति संवेदनशील होते हैं या जिन्हें जटिल सेटअप की आवश्यकता होती है। हाल ही में, वैज्ञानिकों ने "वांडर वाल्स" (van der Waals) क्रिस्टल नामक सामग्रियों के एक नए परिवार की खोज की है। इन क्रिस्टलों को स्टिकी नोट्स के ढेर की तरह समझें; इसकी परतें आपस में धीरे से जुड़ी होती हैं, जिससे हमें उन्हें बिना तोड़े नए, कस्टम तरीकों से अलग करने और एक के ऊपर एक रखने की अनुमति मिलती है। इनमें से, CrSBr (क्रोमियम सल्फाइड ब्रोमाइड) नामक एक पदार्थ एक सितारा बनकर उभरा है। यह एक "एंटीफेरोमैग्नेट" (antiferromagnet) है, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि इसकी आंतरिक चुंबकीय सुइयाँ विपरीत दिशाओं में इशारा करती हैं, जिससे वे एक-दूसरे को बेअसर कर देती हैं, लेकिन उन्हें एक चुंबकीय क्षेत्र के साथ संरेखित होने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे थे वह यह है: यह सामग्री चुंबकीय रूप से सुइयों को घुमाने पर बिजली के प्रवाह को वास्तव में कैसे नियंत्रित करती है? क्या यह एक साधारण फिल्टर की तरह काम कर रही है, या इसके अंदर कुछ अधिक जटिल हो रहा है?

M-आकार के वक्र का रहस्य

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक छोटा सा सैंडविच जैसा उपकरण बनाया। उन्होंने CrSBr का एक टुकड़ा लिया और उसे दो ग्राफीन (ग्रेफाइट का एक अति-पतला रूप) की परतों और एक सुरक्षात्मक हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (hBN) की परत के बीच रखा। यह सेटअप इलेक्ट्रॉनों के लिए एक द्वारपाल की तरह कार्य करता है। जब उन्होंने इस द्वार से बिजली प्रवाहित की, तो उन्होंने कुछ अजीब और रोमांचक देखा: जैसे ही उन्होंने वोल्टेज बदला, प्रतिरोध (बिजली के बहने में आने वाली कठिनाई) केवल ऊपर या नीचे नहीं गया। इसके बजाय, इसने उनके ग्राफ पर एक विशाल "M" आकार बनाया। विशिष्ट वोल्टेज पर, लगभग ±0.5 V के आसपास, प्रतिरोध नाटकीय रूप से बढ़ गया, जो ठंडे तापमान (20 K) पर 350% का भारी बदलाव तक पहुँच गया।

यह "M" आकार एक सुराग था। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि बिजली इस तरह व्यवहार क्यों कर रही थी। क्या यह इसलिए था क्योंकि सामग्री एक साधारण फिल्टर की तरह काम कर रही थी, जो केवल "अप-स्पिन" इलेक्ट्रॉनों को जाने दे रही थी और "डाउन-स्पिन" वालों को रोक रही थी? या क्या सामग्री की आंतरिक ऊर्जा संरचना किसी अधिक परिष्कृत तरीके से बदल रही थी?

जासूसी कार्य: चुंबकों को घुमाना

इस उत्तर को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग एक डायल के रूप में किया। वे CrSBr परत के भीतर चुंबकीय सुइयों को विपरीत दिशाओं में इशारा करने (प्राकृतिक, "एंटीफेरोमैग्नेटिक" अवस्था) से लेकर एक ही दिशा में इशारा करने ("फेरोमैग्नेटिक" अवस्था) तक घुमा सकते थे। उन्होंने उन्हें केवल एक अवस्था से दूसरी अवस्था में झटके से नहीं बदला; बल्कि उन्होंने उन्हें हर कोण के माध्यम से धीरे-धीरे घुमाया, जैसे कि लाइट के डिमर स्विच को घुमाया जाता है।

जैसे ही उन्होंने चुंबकों को घुमाया, उन्होंने "M" आकार को बदलते हुए देखा। उन्होंने पाया कि वह ऊर्जा अवरोध जिसे इलेक्ट्रॉनों को पार करना था, एक बहुत ही विशिष्ट, अनुमानित तरीके से बदल गया। इस अवरोध की ऊंचाई ने एक जटिल वक्र का पालन नहीं किया; जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकों को घुमाया, यह एक सीधी रेखा के रूप में बदला। यह रैखिक संबंध ही असली सबूत था।

फैसला: यह एक हाइब्रिड के बारे में है

शोधकर्ताओं ने पाया कि एक साधारण "स्पिन फिल्टर" का पुराना विचार डेटा पर फिट नहीं बैठता था। यदि यह केवल एक फिल्टर होता, तो प्रतिरोध एक अलग, घुमावदार पैटर्न में बदलता। इसके बजाय, उनके परिणाम "स्पिन-डिपेंडेंट इंटरलेयर हाइब्रिडाइजेशन" नामक घटना की ओर इशारा करते थे।

इसे समझने का एक सरल तरीका यहाँ है: कल्पना करें कि CrSBr सामग्री दो मंजिलों से बनी है, और इलेक्ट्रॉन उनके बीच कूदने की कोशिश कर रहे हैं। "एंटीफेरोमैग्नेटिक" अवस्था (विपरीत स्पिन) में, मंजिलों के बीच का ऊर्जा अंतराल चौड़ा होता है, जिससे कूदना कठिन हो जाता है। "फेरोमैग्नेटिक" अवस्था (संरेखित स्पिन) में, वह ऊर्जा अंतराल सिकुड़ जाता है, जिससे कूदना आसान हो जाता है। लेकिन जादू बीच में है: जैसे-जैसे आप चुंबकों को घुमाते हैं, ऊर्जा अंतराल केवल अचानक बंद नहीं होता; यह कम मान की ओर सुचारू रूप से और रैखिक रूप से फिसलता है। यह अंतराल "बैंड-एज ऑफसेट" (band-edge offset) है, और यह तय करता है कि बिजली कितनी आसानी से प्रवाहित होती है।

अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि यह बदलता हुआ ऊर्जा अंतराल ही भारी प्रतिरोध परिवर्तन और M-आकार के वक्र का कारण है। जब वोल्टेज बिल्कुल सही होता है, तो "आसान" अवस्था वाले इलेक्ट्रॉन अंतराल को पार कर सकते हैं, जबकि "कठिन" अवस्था वाले अभी भी फंसे हुए होते हैं, जिससे प्रतिरोध में भारी अंतर पैदा होता है। जैसे-जैसे वोल्टेज और अधिक बढ़ता है, "कठिन" अवस्था भी बराबरी कर लेती है, और अंतर कम हो जाता है, जिससे M आकार पूरा होता है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

टीम ने यह भी देखा कि जैसे-जैसे उपकरण गर्म होता है, यह प्रभाव गायब हो जाता है। लगभग 90 K के आसपास, "M" आकार सपाट हो जाता है, और प्रतिरोध वोल्टेज के प्रति इतना संवेदनशील नहीं रहता। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि गर्मी इलेक्ट्रॉनों को बाधा को बेतरतीब ढंग से पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा दे देती है, जिससे वे उस सटीक चुंबकीय नियंत्रण को अनदेखा कर देते जिसे वैज्ञानिक उपयोग करने की कोशिश कर रहे थे।

यह सिद्ध करके कि प्रतिरोध इस बदलते ऊर्जा अंतराल द्वारा नियंत्रित होता है न कि एक साधारण फिल्टर द्वारा, यह शोध पत्र भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने के लिए एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह दिखाता है कि इन वांडर वाल्स सामग्रियों में, हम केवल चुंबकीय कोण और वोल्टेज को समायोजित करके बिजली के प्रवाह को प्रोग्राम कर सकते हैं। यह केवल एक शानदार भौतिक विज्ञान का प्रयोग नहीं है; यह नए प्रकार की मेमोरी और सेंसर बनाने के लिए एक संभावित रोडमैप है जो तेज़, अधिक कुशल और एक छोटे स्थान में अधिक जानकारी संग्रहीत करने में सक्षम हैं। शोधकर्ताओं ने केवल एक नया प्रभाव नहीं खोजा; उन्होंने इसके काम करने के सटीक नियम भी खोज निकाले, जिससे सरल स्पष्टीकरण खारिज हो गए और गहरे समझ की ओर मार्ग प्रशस्त हुआ।

तकनीकी सारांश: CrSBr हेट्रोस्ट्रक्चर में स्पिन-डिपेंडेंट इंटरलेयर हाइब्रिडाइजेशन से प्राप्त विशाल बायस-ट्यूनेबल मैग्नेटोरेसिस्टेंस

समस्या विवरण
वैन डेर वाल्स (vdW) इंसुलेटर जंक्शनों में, विशेष रूप से A-प्रकार के एंटीफेरोमैग्नेटिक (AFM) सेमीकंडक्टर्स से जुड़े जंक्शनों में देखे जाने वाले बड़े, नॉन-मोनोटोनिक मैग्नेटोरेसिस्टेंस (MR) का मूल कारण अभी भी स्पष्ट नहीं है। जबकि CrI $_3$ , NiBr $_2$ , और CrSBr जैसी सामग्रियों में महत्वपूर्ण MR प्रभाव देखे गए हैं, पिछले व्याख्याएँ गुणात्मक और अक्सर विरोधाभासी रही हैं। प्रस्तावित तंत्रों में एक्सचेंज-स्प्लिट कंडक्शन-बैंड एडजेस का बायस विंडो में प्रवेश करना, लेयर-बाय-लेयर स्पिन वाल्व में रेजोनेंस शिफ्ट, और मैग्नॉन-असिस्टेड इनइलास्टिक चैनल्स शामिल हैं। इस बात को समझने में एक महत्वपूर्ण अंतराल मौजूद है कि चुंबकीय विन्यास (magnetic configuration) किस प्रकार उस बैंड एज को निर्धारित करता है जो वर्टिकल ट्रांसपोर्ट को सीमित करता है। इसके अलावा, स्पिन-फिल्टर प्रभाव (जहाँ इलेक्ट्रोड पोलराइजेशन हावी होता है) और बैरियर-डिपेंडेंट बैंड-एज ऑफसेट के बीच अंतर करने के लिए केवल कोलीनियर AFM और FM अवस्थाओं के बजाय, इंटरलेयर मैग्नेटाइजेशन कोणों की एक निरंतर श्रेणी में परीक्षण करना आवश्यक है।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने एक वर्टिकल हेट्रोस्ट्रक्चर का अध्ययन किया जिसमें हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (hBN), फ्यू-लेयर ग्रेफीन (FLG), एक 12 nm की CrSBr फ्लेक और FLG कॉन्टैक्ट्स शामिल थे, जिसे इंटरफेस डिग्रेडेशन को रोकने के लिए पूरी तरह से एक निष्क्रिय आर्गन वातावरण के भीतर निर्मित किया गया था। डिवाइस का लक्षण वर्णन एक 3D वेक्टर क्रायोस्टेट (1.6 K से 160 K, 5 T तक) का उपयोग करके मैग्नेटोट्रांसपोर्ट मापन के माध्यम से किया गया।

अध्ययन ने दो स्वतंत्र चुंबकीय ट्यूनिंग नॉब्स का उपयोग किया:

बायस वोल्टेज और तापमान: -1 V और 1 V के बीच -20 K से 160 K के तापमान रेंज में पूर्ण करंट-वोल्टेज ( $I$ – $V$ ) विशेषताएँ रिकॉर्ड की गईं।
चुंबकीय क्षेत्र अभिविन्यास (Magnetic Field Orientation): क्षेत्र दो ऑर्थोगोनल अक्षों के साथ लगाए गए थे:
- ईजी ( $b$ ) अक्ष: जो $\sim$ 0.3 T पर एक तीव्र लेयर-बाय-लेयर स्पिन-फ्लिप ट्रांजिशन प्रेरित करता है, जो बैरियर को शून्य-क्षेत्र AFM ग्राउंड स्टेट और फील्ड-पोलराइज्ड FM स्टेट के बीच स्विच करता है।
- हार्ड ( $c$ ) अक्ष: जो एक निरंतर सेकंड-ऑर्डर कैंटिंग ट्रांजिशन का समर्थन करता है, जिससे सापेक्ष इंटरलेयर मैग्नेटाइजेशन कोण $\theta$ को AFM से FM संरेखण तक निरंतर बदला जा सकता है।

ट्रांसपोर्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी को दो पूरक विश्लेषणों का उपयोग करके किया गया:

नॉर्मलाइज्ड डिफरेंशियल कंडक्टेंस: $(dI/dV)/(I/V) $का उपयोग बैंड-एज ऑफसेट से जुड़े पीक स्थानों ($ V_{peak}$) की पहचान करने के लिए किया गया।
फाउलर-नॉर्डहाइम (FN) प्रतिनिधित्व: $\ln(|I|/V^2)$ बनाम $1/V$ का उपयोग फील्ड उत्सर्जन के प्रारंभ को चिह्नित करने वाले ट्रांजिशन वोल्टेज ( $V_T$ ) की पहचान करने के लिए किया गया।

मुख्य परिणाम

M-आकार का मैग्नेटोरेसिस्टेंस: 20 K पर, MR अनुपात बायस वोल्टेज पर एक विशिष्ट नॉन-मोनोटोनिक, M-आकार की निर्भरता प्रदर्शित करता है, जिसमें $\pm$ 0.5 V पर $\sim$ 350% तक सममित मैक्सिमा (maxima) प्राप्त होते हैं। यह विशेषता ईजी और हार्ड एक्सिस फील्ड स्वीप दोनों के लिए बनी रहती है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, पीक्स निचले बायस की ओर शिफ्ट होते हैं, 90 K के पास विलीन हो जाते हैं, और 100 K के पास MR परिमाण 100% से नीचे गिर जाता है, जो नेल तापमान ( $T_N \approx$ 132 K) पर लुप्त हो जाता है।
बैंड-एज ऑफसेट निर्धारण: ट्रांसपोर्ट स्पेक्ट्रोस्कोपी से पता चलता है कि कंडक्टेंस पीक्स ( $V_{peak}$ ) और FN ट्रांजिशन वोल्टेज ( $V_T$ ) AFM और FM अवस्थाओं के बीच व्यवस्थित रूप से शिफ्ट होते हैं। 20 K पर, $V_{peak}$ $\sim$ 0.80 V (AFM) से $\sim$ 0.62 V (FM) की ओर शिफ्ट होता है, जो लगभग 0.11 eV के बैंड-एज ऑफसेट अंतर ( $\Phi_{AFM} - \Phi_{FM}$ ) के अनुरूप है।
इंटरलेयर एंगल पर रैखिक निर्भरता: हार्ड-एक्सिस कैंटिंग ट्रांजिशन का उपयोग करते हुए, लेखकों ने बैंड-एज ऑफसेट $\Phi$ को सापेक्ष इंटरलेयर कोण $\theta$ के विरुद्ध मैप किया। डेटा $\cos(\theta/2)$ के साथ एक रैखिक संबंध का पालन करता है, जहाँ $\Phi(\theta) = \Phi_{AFM} - (\Phi_{AFM} - \Phi_{FM})\cos(\theta/2)$ है। यह रैखिक निर्भरता स्पिन-डिपेंडेंट इंटरलेयर हाइब्रिडाइजेशन का एक प्रथम-क्रम का संकेत है।
तापमान-निर्भर ट्रांसपोर्ट रिजीम: अध्ययन ने 90 K ( $\sim$ $\sim$ 0.7 $T_N$ $T_{N}$ ) के पास एक क्रॉसओवर की पहचान की:
- 90 K से नीचे: ट्रांसपोर्ट लोकलाइज्ड बैंड-टेल स्टेट्स (Efros–Shklovskii रिजीम) के माध्यम से वेरिएबल-रेंज होपिंग (VRH) द्वारा संचालित होता है, जो एक छोटा, फील्ड-स्वतंत्र एक्टिवेशन एनर्जी ( $\sim$ 6.5 meV) प्रदर्शित करता है।
- 90 K से ऊपर: ट्रांसपोर्ट कंडक्शन-बैंड एज के ऊपर थर्मली एक्टिवेटेड हो जाता है। एक्टिवेशन एनर्जी फील्ड-डिपेंडेंट हो जाती है, जो $\sim$ 20 meV का AFM-से-FM स्प्लिटिंग दिखाती है, जो बैंड एज पर एक्सचेंज स्प्लिटिंग के अनुरूप है।

मुख्य योगदान और तंत्र
यह शोध स्थापित करता है कि CrSBr जंक्शनों में बड़ा, बायस-ट्यूनेबल मैग्नेटोरेसिस्टेंस मैग्नेटिक-कॉन्फ़िगरेशन-डिपेंडेंट बैंड एज द्वारा निर्धारित होता है, न कि इलेक्ट्रोड पोलराइजेशन द्वारा। लेखक सिद्ध करते हैं कि:

$\cos(\theta/2)$ पर बैंड-एज ऑफसेट की रैखिक निर्भरता जुलिए मॉडल (जो $1-h^2$ की क्वाड्रेटिक निर्भरता की भविष्यवाणी करता है) और सरल स्पिन-फिल्टर प्रोजेक्शन को खारिज करती है।
तंत्र को स्पिन-डिपेंडेंट इंटरलेयर हाइब्रिडाइजेशन के रूप में पहचाना गया है। AFM अवस्था में, आसन्न लेयर स्टेट्स डिजेनरेट होते हैं; जैसे-जैसे कोण $\theta$ बदलता है, स्पिन-डिपेंडेंट इंटरलेयर कपलिंग $t_\perp \propto \cos(\theta/2)$ इन स्टेट्स को विभाजित करती है, जिससे बैंड एज और प्रभावी बैरियर ऊंचाई शिफ्ट हो जाती है।
ऑफसेट अंतर का देखा गया ऊर्जा स्केल ( $\sim$ 0.11 eV), CrSBr में स्पिन-डिपेंडेंट इंटरलेयर हाइब्रिडाइजेशन ऊर्जाओं के फर्स्ट-प्रिंसिपल्स गणनाओं के अनुरूप है।
उच्च तापमान पर M-आकार के MR का गायब होना फील्ड-एमिशन-डोमिनेटेड ट्रांसपोर्ट (जहाँ बैरियर हाइट का अंतर महत्वपूर्ण है) से थर्मली एक्टिवेटेड ट्रांसपोर्ट (जहाँ बैरियर अंतर थर्मल एनर्जी के सापेक्ष कम स्पष्ट है) में संक्रमण द्वारा समझाया गया है।

महत्व
लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि यह कार्य vdW एंटीफेरोमैग्नेटिक जंक्शनों में बड़े, नॉन-मोनोटोनिक MR के मूल को हल करता है। लेयर-बाय-लेयर स्पिन वाल्व, मैग्नॉन-असिस्टेड टनलिंग, और जुलिए TMR जैसे प्रतिस्पर्धी मॉडलों से बैंड-एज ऑफसेट चित्र को अलग करके, यह अध्ययन एक मात्रात्मक ढांचा प्रदान करता है। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि बायस वोल्टेज ऊर्जा-रिज़ॉल्व्ड प्रोब के रूप में कार्य करता है, जो बैरियर की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को दर्शाता है, जिससे प्रतिरोध को चुंबकीय-कॉन्फ़िगरेशन-डिपेंडेंट बैंड एडजेस के सापेक्ष बायस की स्थिति द्वारा प्रोग्राम किया जा सकता है। यह अन्य सेमीकंडक्टिंग vdW एंटीफेरोमैग्नेट्स में चुंबकीय क्रम को पढ़ने के लिए एक टेम्पलेट प्रदान करता है, जो इस बात पर जोर देता है कि बैरियर की चुंबकीय अवस्था ही ट्रांसपोर्ट विशेषताओं को निर्धारित करती है, न कि इलेक्ट्रोड्स।

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