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Observation of in-plane anomalous Nernst effect

यह शोध पत्र सममिति-अनुकूलित (symmetry-tailored) अतिपतली फेरोमैग्नेटिक ऑक्साइड फिल्मों में एक सुदृढ़ इन-प्लेन विसंगत नर्स्ट प्रभाव (anomalous Nernst effect) की खोज की सूचना देता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि यह प्रभाव स्वतःस्फूर्त इन-प्लेन चुंबकत्व और आउट-ऑफ-प्लेन कक्षीय चुंबकत्व से उत्पन्न हो सकता है, जिससे पारंपरिक ऑर्थोगोनैलिटी बाधा को दूर किया जा सकता है और अधिक लचीले मैग्नेटोथर्मोइलेक्ट्रिक डिवाइस डिजाइनों को सक्षम बनाया जा सकता है।

मूल लेखक: Tadashi Yoneda, Shinichi Nishihaya, Markus Kriener, Haruto Kaminakamura, Ming-Chun Jiang, Naohiro Tezuka, Yoshiya Murakami, Ryotaro Arita, Hiroaki Ishizuka, Masaki Uchida

प्रकाशित 2026-08-17

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Tadashi Yoneda, Shinichi Nishihaya, Markus Kriener, Haruto Kaminakamura, Ming-Chun Jiang, Naohiro Tezuka, Yoshiya Murakami, Ryotaro Arita, Hiroaki Ishizuka, Masaki Uchida

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 आप एक जाल से मछली पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, वैज्ञानिकों को लंबे समय से यह पता है कि "गर्मी" को कैसे पकड़ने और उसे बिजली में बदलने का एक बहुत ही विशिष्ट नियम है। वे इसे नर्न्स्ट प्रभाव (Nernst effect) कहते हैं। इसे एक जादुई नदी की तरह समझें: यदि आप गर्मी की एक नदी को एक दिशा में धकेलते हैं और ऊपर से एक चुंबकीय क्षेत्र (जैसे पानी के ऊपर मंडराता हुआ एक विशाल चुंबक) लगाते हैं, तो नदी केवल आगे ही नहीं बहती; बल्कि वह बगल की ओर मुड़ जाती है, जिससे एक वोल्टेज पैदा होता है जिसका आप उपयोग कर सकते हैं। दशकों तक, यह नियम सख्त था: चुंबक को नदी और बगल के वोल्टेज के लंबवत (perpendicular) होना चाहिए था। यह ऐसा था जैसे कहना, "आप मछली तभी पकड़ सकते हैं जब जाल को बिल्कुल 90-डिग्री के कोण पर पकड़ा जाए।" यदि आप जाल को तिरछा पकड़ने की कोशिश करते, तो मछलियाँ बस निकल जातीं और आपको कुछ भी नहीं मिलता। इस नियम ने उपकरणों को डिजाइन करना कठिन बना दिया था, क्योंकि आप चीजों को अपनी मर्जी से कहीं भी नहीं रख सकते थे; आपको एक कठोर, क्रॉस-आकार के लेआउट में बंधे रहने के लिए मजबूर किया जाता था।

लेकिन क्या होगा यदि नदी को तब भी बगल की ओर बहने के लिए चकमा दिया जा सके जब चुंबक मेज पर सपाट लेटा हो? यही वह बड़ा सवाल है जिसे यह शोध पत्र संबोधित करता है। शोधकर्ता थर्मोइलेक्ट्रिक्स (thermoelectrics) के क्षेत्र में काम कर रहे हैं, जो तापमान के अंतर को विद्युत शक्ति में बदलने के बारे में है। वे एक विशेष प्रकार की सामग्री जिसे फेरोमैग्नेट (ferromagnet) कहा जाता है, उस पर नज़र रख रहे हैं—एक ऐसी धातु जो एक स्थायी चुंबक की तरह कार्य करती है। आमतौर पर, वैज्ञानिक सोचते थे कि इस बगल के वोल्टेज (नर्न्स्ट प्रभाव) को प्राप्त करने के लिए, धातु के भीतर का चुंबकीय "स्पिन" (spin) सीधा ऊपर या नीचे, यानी गर्मी के प्रवाह के लंबवत होना चाहिए। हालांकि, एक नए सिद्धांत ने सुझाव दिया कि शायद, सिर्फ शायद, इन सामग्रियों के भीतर के इलेक्ट्रॉन एक गुप्त चाल जानते हैं। वे एक बगल का वोल्टेज उत्पन्न कर सकते हैं भले ही उनका चुंबकीय स्पिन गर्मी के प्रवाह के समानांतर (parallel) सपाट लेटा हो, जब तक कि कोई अन्य अदृश्य गुण (जिसे ऑर्बिटल मैग्नेटाइजेशन कहा जाता है) मुख्य भूमिका निभा रहा हो।

यहीं से कहानी रोमांचक हो जाती है। लेखकों ने इस सिद्धांत का परीक्षण करने का निर्णय लिया कि स्ट्रोंटियम रूथेनेट ( $SrRuO_3$ ) नामक सामग्री की एक बहुत पतली फिल्म का उपयोग करके। उन्होंने केवल सामग्री को नहीं देखा; उन्होंने इसे एक विशेष मंच पर रखा जहाँ वे चुंबकीय क्षेत्र को हर संभव दिशा में घुमा सकते थे, जैसे कि स्पॉटलाइट में घूमता हुआ ग्लोब। वे यह देखना चाहते थे कि क्या होता है जब वे चुंबकीय क्षेत्र को फिल्म की सपाट सतह के साथ, गर्मी के प्रवाह के समानांतर रखते हैं।

परिणाम एक आश्चर्यजनक खोज थी जो पुराने नियमों को तोड़ देती है। उन्होंने पाया कि भले ही चुंबकीय क्षेत्र मेज पर सपाट लेटा हुआ था, फिर भी सामग्री ने एक मजबूत बगल का वोल्टेज उत्पन्न किया। यह ऐसा था जैसे मछलियाँ जाल में कूद रही हों, भले ही जाल को "सही" 90-डिग्री के कोण पर नहीं पकड़ा गया था। उन्होंने जो वोल्टेज मापा वह बहुत अधिक था—पारंपरिक, लंबवत चुंबकीय क्षेत्र के उपयोग से प्राप्त वोल्टेज का लगभग 40%। यह सिद्ध करता है कि पुराना "ऑर्थोगोनैलिटी नियम" (सब कुछ समकोण पर होने की आवश्यकता) प्रकृति का कोई कठोर नियम नहीं है, बल्कि केवल उन सामग्रियों की सीमा है जिनका हमने अध्ययन किया है।

पेपर बताता है कि ऐसा इसलिए होता है क्योंकि परमाणुओं के भीतर एक गुप्त साझेदारी है। भले ही मुख्य चुंबकीय स्पिन सपाट लेटा हो, लेकिन जिस तरह से इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर चक्कर लगाते हैं, वह एक सूक्ष्म, अदृश्य चुंबकीय धक्का पैदा करता है जो सीधा ऊपर की ओर होता है। यह "ऑर्बिटल मैग्नेटाइजेशन" एक गुप्त एजेंट की तरह कार्य करता है, उस लंबवत चुंबक का काम करता है जिसे हमें लगा था कि आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन करके इसकी पुष्टि की, जिससे पता चला कि जब मुख्य स्पिन सपाट होता है, तो इलेक्ट्रॉनों की कक्षाएं वास्तव में यह ऊपर की ओर वाला धक्का पैदा करती हैं।

तो, भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है? लेखक सुझाव देते हैं कि यह खोज ऊर्जा-संचय (energy-harvesting) उपकरणों के लिए बहुत अधिक लचीले डिजाइन के द्वार खोलती है। कल्पना कीजिए कि एक छोटा बिजली जनरेटर बनाना जो किसी घुमावदार सतह या धातु की बहुत पतली पट्टी में फिट हो सके। पहले, चुंबकीय भागों को इस तरह से व्यवस्थित करना पड़ता था जिससे उपकरण भारी या बनाने में कठिन हो जाता था। अब, क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र सपाट रहकर भी काम कर सकता है, इंजीनियर इन उपकरणों को छोटा, पतला और ऐसी जगहों पर फिट होने योग्य बना सकते हैं जहाँ वे पहले कभी नहीं जा सकते थे। पेपर यह दावा नहीं करता है कि इसने अभी तक एक कामकाजी उपकरण बनाया है, लेकिन इसने सिद्ध किया है कि भौतिकी काम करती है, जो यह सुझाव देता है कि अगली पीढ़ी के थर्मल ऊर्जा संचयक (thermal energy harvesters) हमारी कल्पना से कहीं अधिक बहुमुखी हो सकते हैं।

तकनीकी सारांश: इन-प्लेन एनोमलस नर्न्स्ट प्रभाव का अवलोकन

समस्या विवरण
नर्न्स्ट प्रभाव (Nernst effect), जो चुंबकीय क्षेत्र या स्पिन चुंबकन के तहत ऊष्मा धारा को ट्रांसवर्स वोल्टेज में परिवर्तित करता है, ऊर्जा संचयन (energy harvesting) और थर्मल प्रबंधन के लिए एक आशाजनक तंत्र है। हालांकि, पारंपरिक एनोमलस नर्न्स्ट प्रभाव (ANE) मौलिक रूप से एक ऑर्थोगोनैलिटी (लंबवतता) की आवश्यकता द्वारा सीमित है: स्वतःस्फूर्त स्पिन चुंबकन (spontaneous spin magnetization) को तापमान प्रवणता (temperature gradient) और प्रेरित वोल्टेज द्वारा परिभाषित तल के लंबवत होना चाहिए। यह ज्यामितीय बाधा व्यावहारिक अनुप्रयोगों में डिवाइस लेआउट की लचीलेपन को सीमित करती है। जबकि हाल ही में बेर-कर्वचर (Berry curvature) और स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग से जुड़े तंत्रों के माध्यम से इन-प्लेन स्पिन चुंबकन के साथ एनोमलस हॉल प्रभाव (AHE) प्रदर्शित किया गया है, यह स्पष्ट नहीं है कि क्या समान भौतिकी ANE पर भी लागू होती है, क्योंकि ANE हॉल चालकता के ऊर्जा व्युत्पन्न (ऊर्जा अवकलज) द्वारा नियंत्रित होता है (मॉट के सूत्र के माध्यम से), न कि भरी हुई बैंड्स के एकीकृत बेर-कर्वचर द्वारा।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने इस घटना की जांच (111) SrTiO $_3$ सबस्ट्रेट्स पर उगाए गए प्रोटोटाइप फेरोमैग्नेटिक ऑक्साइड, स्ट्रोंटियम रुथेनेट (SrRuO $_3$ ) की अत्यंत पतली फिल्मों का उपयोग करके की। इन फिल्मों में संपीड़ित एपिटैक्सियल स्ट्रेन के साथ एक ट्रिगोनल विरूपण (trigonal distortion) होता है, जो एक चुंबकीय बिंदु समूह ( $2'/m'$ ) बनाता है जो इन-प्लेन ANE प्रतिक्रिया के लिए सममिति आवश्यकताओं को पूरा करता है।

प्रायोगिक दृष्टिकोण में गोलाकार चुंबकीय क्षेत्र रोटेशन के तहत व्यवस्थित मैग्नेटोथर्मोइलेक्ट्रिक और मैग्नेटोट्रांसपोर्ट माप शामिल थे:

नमूना तैयारी: (111)-ओरिएंटेड SrRuO $_3$ फिल्में (~4 nm मोटी) को मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी के माध्यम से तैयार किया गया था।
क्षेत्र रोटेशन (Field Rotation): चुंबकीय क्षेत्र को एज़िमुथली (इन-प्लेन (111) के भीतर) और पोलरली ([111] से इन-प्लेन [11 $\bar{2}$ ] दिशाओं तक) 9 T तक घुमाकर माप किए गए।
सिग्नल निष्कर्षण: इन-प्लेन ANE को एक्सट्रिंसिक योगदान (जैसे कि फील्ड मिसअलाइनमेंट या आउट-ऑफ-प्लेन तापमान प्रवणता) से अलग करने के लिए, लेखकों ने कच्चे डेटा के एंटीसिमेट्राइजेशन (antisymmetrization) का उपयोग किया और एक-गुना सममित घटकों ( $S_{yx, C1, B}$ और $S_{yx, C1, T}$ ) को घटाया।
सैद्धांतिक मॉडलिंग: विशिष्ट इन-प्लेन स्पिन चुंबकन अवस्थाओं के लिए बेर-कर्वचर, ऑर्बिटल चुंबकन और थर्मोइलेक्ट्रिक चालकता की गणना करने के लिए DFT+U फ्रेमवर्क (VASP) के साथ संयुक्त वॉनियर टाइट-बाइंडिंग मॉडल का उपयोग करके प्रथम-सिद्धांत (first-principles) गणनाएं की गईं।

मुख्य परिणाम

इन-प्लेन ANE का उद्भव: यह अध्ययन एक स्पष्ट नर्न्स्ट सिग्नल ( $S_{yx}$ ) प्रदर्शित करता है जब चुंबकीय क्षेत्र और स्वतःस्फूर्त स्पिन चुंबकन पूरी तरह से तापमान प्रवणता और वोल्टेज द्वारा परिभाषित तल के भीतर होते हैं। यह सिग्नल शून्य चुंबकीय क्षेत्र पर बना रहता है और एक बड़ा हिस्टेरेसिस प्रदर्शित करता है, जो इसके स्वतःस्फूर्त फेरोमैग्नेटिक ऑर्डरिंग में मूल होने की पुष्टि करता है।
परिमाण और सममिति: इन-प्लेन ANE सिग्नल आउट-ऑफ-प्लेन स्पिन चुंबकन के तहत देखे गए परिमाण का लगभग 40% तक पहुँच जाता है। सिग्नल तीन-गुना रोटेशनल सिमेट्री प्रदर्शित करता है जो (111) SrRuO $_3$ फिल्म की क्रिस्टल संरचना के अनुरूप है, जिसमें $\phi = 0^\circ$ और $\phi = 60^\circ$ पर विशिष्ट व्यवहार देखे गए।
तापमान निर्भरता: ट्रांसवर्स थर्मोइलेक्ट्रिक चालकता ( $\alpha_{xy}$ ) एक गैर-मोनोटोनिक तापमान निर्भरता दिखाती है, जो 80 K के आसपास चरम पर पहुँचती है और निम्न तापमान पर घटती है। यह एनोमलस हॉल प्रतिरोधकता ( $\rho_{yx}$ ) की तापमान घटने के साथ मोनोटोनिक वृद्धि के विपरीत है, जो मोड़ (Mott) संबंध को दर्शाता है जहाँ नर्न्स्ट प्रभाव हॉल चालकता के ऊर्जा व्युत्पन्न के समानुपाती होता है।
तंत्र की पहचान: परिणाम संकेत देते हैं कि इन-प्लेन ANE, इन-प्लेन स्पिन चुंबकन और आउट-ऑफ-प्लेन ऑर्बिटल चुंबकन के बीच ऑफ-डायगोनल कपलिंग से उत्पन्न होता है। प्रथम-सिद्धांत गणनाएं पुष्टि करती हैं कि इन-प्लेन स्पिन चुंबकन (विशेष रूप से [11 $\bar{2}$ ] दिशा के साथ) एक परिमित आउट-ऑफ-प्लेन ऑर्बिटल चुंबकन ( $M_{orb}^z$ ) और एक गैर-शून्य $\alpha_{xy}$ को प्रेरित करता है, जबकि [1 $\bar{1}$ 0] दिशा के साथ चुंबकन शून्य प्रतिक्रिया देता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र दावा करता है कि उन्होंने प्रयोगात्मक रूप से इन-प्लेन एनोमलस नर्न्स्ट प्रभाव का अवलोकन किया है, यह प्रदर्शित करते हुए कि यह प्रभाव अब पारंपरिक ऑर्थोगोनैलिटी शर्त से सीमित नहीं है जिसमें स्पिन चुंबकन को तापमान प्रवणता-वोल्टेज तल के लंबवत होना आवश्यक है।

लेखक तर्क देते हैं कि यह खोज:

डिज़ाइन स्पेस को विस्तृत करती है: यह स्पिन चुंबकन पर ज्यामितीय प्रतिबंध को हटा देती है, जिससे मैग्नेटोथर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों और उपकरणों के अधिक लचीले डिज़ाइन संभव हो जाते हैं। विशेष रूप से, यह सुझाव देता है कि थर्मोपाइल संरचनाओं को स्पिन चुंबकन को स्ट्राइप्स (धारियों) के साथ संरेखित करके (न कि उनके लंबवत) अनुकूलित किया जा सकता है, जिससे संभावित रूप से छोटे डिवाइस फुटप्रिंट सक्षम हो सकते हैं।
नए नियंत्रण तंत्र प्रदान करती है: क्रिस्टल सममिति इंजीनियरिंग (जैसे डोमेन इंजीनियरिंग या हेट्रोस्ट्रक्चरिंग) के माध्यम से ANE के चिह्न (sign) को नियंत्रित करने की क्षमता, पारंपरिक फर्मी स्तर ट्यूनिंग से परे ध्रुवीयता नियंत्रण के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करती है।
सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को मान्य करती है: यह अवलोकन पुष्टि करता है कि इन-प्लेन स्पिन और आउट-ऑफ-प्लेन ऑर्बिटल चुंबकन के बीच आंतरिक कपलिंग एक महत्वपूर्ण थर्मोइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकती है, जो बेर-कर्वचर से संबंधित क्वांटम ज्योमेट्री के थर्मोइलेक्ट्रिक घटनाओं के प्रति समझ को विस्तृत करती है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि यह कार्य SrRuO $_3$ पर केंद्रित है, यह घटना उन सामग्रियों के एक व्यापक वर्ग में भी दृश्यमान होने की उम्मीद है जिनमें बड़े आंतरिक ANE (जो बेर-कर्वचर हॉट स्पॉट्स या वेइल पॉइंट्स से प्राप्त होते हैं) मौजूद हैं, बशर्ते कि सममिति की आवश्यकताएं पूरी हों।

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