Acoustic Tweezers for Magnetic Skyrmions

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ आप भीड़ को हटाने के लिए बस उसे धकेल नहीं सकते; आपको उस भीड़ में से एक व्यक्ति को पकड़कर उसे ठीक वहीं ले जाना होगा जहाँ आप चाहते हैं, और वह भी बिना किसी से टकराए। यह उन वैज्ञानिकों के लिए दैनिक चुनौती है जो "स्कायर्मियन्स" (skyrmions) पर काम कर रहे हैं। स्कायर्मियन्स को अदृश्य चुंबकीय बल से बने सूक्ष्म बवंडर या चुंबकीय गांठों की तरह समझें जो विशेष सामग्रियों के भीतर रहते हैं। वे अविश्वसनीय रूप से स्थिर हैं और भविष्य की सुपर-फास्ट, सुपर-डेंस कंप्यूटर मेमोरी होने का वादा करते हैं। लेकिन समस्या यह है कि अभी, वैज्ञानिकों को ज्यादातर स्कायर्मियन्स की पूरी भीड़ को एक साथ बड़े चुंबकीय क्षेत्रों या विद्युत धाराओं का उपयोग करके धकेलना पड़ता है। यह पूरे समुद्र पर हवा चलाकर रेत का एक विशिष्ट कण चुनने की कोशिश करने जैसा है। हमें बेहतर कंप्यूटर बनाने के लिए, केवल एक ऐसे चुंबकीय गांठ को पकड़ने और उसे सर्जिकल सटीकता के साथ इधर-उधर घुमाने का तरीका चाहिए, बिना उसे नष्ट किए।

यहीं पर फुआन यूनिवर्सिटी (Fudan University) के शोधकर्ताओं की एक टीम एक चतुर नए विचार के साथ आती है: एक "ध्वनिक चिमटा" (acoustic tweezer)। आप "ऑप्टिकल ट्वीज़र्स" (optical tweezers) के बारे में जानते होंगे, जो प्रकाश की केंद्रित किरणों का उपयोग करके कोशिकाओं या परमाणुओं जैसे सूक्ष्म कणों को पकड़ते हैं। लेकिन प्रकाश का उपयोग फ्लैट कंप्यूटर चिप्स के अंदर करना कठिन हो सकता है। इन वैज्ञानिकों ने प्रस्ताव दिया है कि ध्वनि तरंगों का उपयोग किया जाए—विशेष रूप से एक विशेष प्रकार की ध्वनि जो सामग्री के माध्यम से तालाब में लहर की तरह चलती है। उन्होंने पाया कि यदि आप इन ध्वनि तरंगों को सही आकार देते हैं, तो वे अदृश्य "जाल" (traps) बनाती हैं जो एक अकेले स्कायर्मियन को पकड़ सकती हैं और उसे कसकर रख सकती हैं, या उसे दूर धकेल सकती हैं, और यह सब स्कायर्मियन के अपने चुंबकीय व्यक्तित्व पर आधारित होता है। यह एक रिमोट कंट्रोल होने जैसा है जो केवल मेज के कंपन का उपयोग करके चुंबकीय मोहरों को उनके रंग के आधार पर छाँट सकता है।

स्पिन और ध्वनि का जादू

इस खोज का असली रहस्य "फोनॉन स्पिन" (phonon spin) नामक चीज़ है। आमतौर पर, जब हम ध्वनि के बारे में सोचते हैं, तो हम हवा या पानी को सीधी रेखा में आगे-पीछे चलते हुए देखते हैं। लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि जब आप एक ध्वनि तरंग को एक संकीत, केंद्रित बीम (जैसे कि एक गॉसियन बीम) में सिकोड़ते हैं, तो वह मुड़ने लगती है। कल्पना कीजिए कि एक रस्सी को हिलाया जा रहा है; यदि आप इसे ऊपर-नीचे सीधा हिलाते हैं, तो यह सरल है। लेकिन यदि आप इसे इस तरह हिलाते हैं जिससे एक सर्पिल (spiral) बनता है, तो रस्सी का एक "स्पिन" होता है। इस मामले में, ध्वनि तरंग सामग्री के परमाणुओं में एक घूमती हुई कंपन पैदा करती है।

सबसे दिलचस्प बात यह है कि यह घूमती हुई ध्वनि एक चुंबकीय क्षेत्र बनाती है जो इस बात पर निर्भर करता है कि स्कायもइयन खुद किस दिशा में "घूम" रहा है। स्कायर्मियन्स के दो मुख्य प्रकार या "ध्रुवीयता" (polarities) होते हैं, जिन्हें हम "उत्तर" या "दक्षिण" कोर के रूप में समझ सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि घूमती हुई ध्वनि तरंग एक "कायरैलिटी" (chirality - जिसे हाथ की बनावट या 'handedness' भी कहते हैं) बनाती है जो स्कायर्मियन की ध्रुवीयता के साथ लॉक हो जाती है। यदि स्कायर्मियन का स्पिन ध्वनि के स्पिन से मेल खाता है, तो उसे चुंबक की तरह फ्रिज की ओर खींचा जाता है। यदि वे मेल नहीं खाते, तो उसे दूर धकेल दिया जाता है। यह एक अनूठा परिदृश्य बनाता है जहाँ कुछ स्थान "आकर्षक रेखाएं" (सुरक्षित क्षेत्र) हैं और अन्य "प्रतिकर्षी रेखाएं" (खतरे के क्षेत्र) हैं।

सिमुलेशन: चुंबकीय गांठों का नृत्य

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, वैज्ञानिकों ने अभी तक कोई भौतिक चिप नहीं बनाई; इसके बजाय, उन्होंने अत्यंत विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। उन्होंने एक सूक्ष्म चुंबकीय फिल्म का मॉडल बनाया और उस पर एक गॉसियन ध्वनिक बीम चलाई। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब उन्होंने एक स्कायर्मियन को इस ध्वनि क्षेत्र में डाला, तो वह केवल हिल-डुल नहीं गया; वह प्रवास (migrate) करने लगा। वह तेजी से उस "आकर्षक रेखा" की ओर बढ़ा जहाँ ध्वनि का स्पिन सबसे मजबूत था, और बाकी सब को अनदेखा कर दिया।

सिमुलेशन ने दिखाया कि यह गति एक "विकिरण बल" (radiation force) द्वारा संचालित होती है। एक सामान्य धक्के के विपरीत, यह बल ध्वनि तरंग से स्कायर्मियन द्वारा अवशोषित ऊर्जा से आता है। यह ऐसा है जैसे स्कायर्मियन एक सर्फर है जो लहर को पकड़ रहा है; वह स्वाभाविक रूप से उस स्थान की ओर फिसलता है जहाँ लहर सबसे अधिक ऊर्जावान और स्थिर होती है। टीम ने गणना की कि एक विशिष्ट ध्रुवीयता (Q = -1) वाले स्कायर्मियन के लिए, ध्वनि तरंग एक कोमल हाथ की तरह काम करती है जो उसे सुरक्षित बंदरगाह तक ले जाती है। यदि उन्होंने स्कायर्मियन की ध्रुवीयता को उलट दिया (Q = +1), तो वही ध्वनि तरंग उसे दूर धकेल देगी। यह साबित करता है कि "चिमटा" चयनात्मक है; यह अपने बगल में रखे दो स्कायर्मियन्स के बीच अंतर कर सकता है और केवल उसी को पकड़ सकता है जिसे वह चाहता है।

एक 2D ट्रैप और एक भूलभुलैया बनाना

एक एकल ध्वनि बीम केवल एक रेखा (जैसे रेलवे ट्रैक) में एक स्कायर्मियन को पकड़ सकती है। वास्तव में एक विशिष्ट स्थान पर स्कायर्मियन को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अधिक जटिल सेटअप का सिमुलेशन किया: दो ध्वनि बीम जो एक-दूसरे को समकोण पर काटती हैं। एक बीम बाएं-से-दाएं चलती है, और दूसरी ऊपर-से-नीचे। जहाँ उनकी "आकर्षक रेखाएं" मिलती हैं, वहाँ वे एक एकल, अत्यंत शक्तिशाली "आकर्षक बिंदु" बनाती हैं।

अपने सिमुलेशन में, उन्होंने एक फील्ड में कहीं भी एक स्कायर्मियन रखा, और वह धीरे-धीरे इस प्रतिच्छेदन बिंदु (intersection point) की ओर बढ़ गया और वहीं रुक गया। इससे भी बेहतर, उन्होंने दिखाया कि वे इस ट्रैप को इधर-उधर ले जा सकते हैं। एक ध्वनि तरंग के समय (फेज/phase) को थोड़ा बदलकर, वे प्रतिच्छेदन बिंदु को स्क्रीन पर खिसका सकते हैं। उन्होंने एक प्रोग्राम किए गए पथ पर एक चलते हुए बिंदु के पीछे चलते हुए स्कायर्मियन का सिमुलेशन किया, जैसे कि एक कुत्ते को पट्टे पर ले जाया जाता है, जिसमें अविश्वसनीय सटीकता (सब-नैनोमीटर) थी। उन्होंने स्कायर्मियन्स से भरी एक भीड़ का भी परीक्षण किया; जब उन्होंने ट्रैप चालू किया, तो केवल वही पकड़ा गया जो लक्ष्य के सबसे करीब था, जबकि अन्य को प्रतिकर्षी बलों द्वारा दूर धकेल दिया गया।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

शोधकर्ता सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि यह वर्तमान में एक सैद्धांतिक प्रस्ताव है जिसे सिमुलेशन द्वारा समर्थित किया गया है, न कि कोई भौतिक उपकरण जिसे उन्होंने अभी तक लैब में बनाया है। हालाँकि, इसके पीछे का भौतिक विज्ञान ठोस है। उनका तर्क है कि यह विधि वर्तमान तकनीकों से बेहतर है क्योंकि इसमें चिप में जटिल, सूक्ष्म तारों को उकेरने की आवश्यकता नहीं होती (जिसे बनाना कठिन है और जिससे गर्मी भी पैदा हो सकती है)। इसके बजाय, यह उन सामग्रियों की पतली परतों का उपयोग करता है जो इलेक्ट्रॉनिक्स में पहले से ही आम हैं।

चूंकि ध्वनि तरंगें "ऑफ-रेजोनेंस" (मतलब वे स्कायर्मियन को इतना जोर से नहीं हिलातीं कि वह टूट जाए) हैं, इसलिए हेरफेर "गैर-विनाशकारी" (non-destructive) है। स्कायर्मियन बरकरार रहता है, बस एक नए पते पर चला जाता है। टीम का सुझाव है कि हालांकि यह "चिमटा" छोटे पैमाने पर (लगभग ध्वनि तरंग की तरंग दैर्ध्य के आकार का, उनके मॉडल में लगभग 600 नैनोमीटर) सबसे अच्छा काम करता है, इसे बड़े ध्वनि तरंगों के साथ जोड़ा जा सकता है जो स्कायर्मियन्स की पूरी भीड़ को हिला सकते हैं। यह एक "पदानुक्रमित" (hierarchical) प्रणाली की अनुमति देगा: भीड़ को चलाने के लिए बड़ी लहरें, और गणना के लिए आवश्यक विशिष्ट डेटा बिट्स को चुनने के लिए ये सटीक ध्वनिक चिमटे।

संक्षेप में, यह पेपर कंप्यूटर मेमोरी के भविष्य से बात करने का एक नया तरीका प्रस्तावित करता है। ध्वनि तरंगों के छिपे हुए "स्पिन" का उपयोग करके, हम जल्द ही व्यक्तिगत चुंबकीय गांठों को पकड़ सकेंगे और उन्हें एक सर्जन की सटीकता के साथ रूट कर सकेंगे, वह भी बिना उन्हें छुए या गर्म किए। यह चुंबकीय डेटा के अराजक महासागर को एक सुव्यवस्थित शहर में बदल देता है जहाँ प्रत्येक इमारत को व्यक्तिगत रूप से देखा जा सकता है।