Electrically Switchable Spintronics in a Multiferroic Altermagnet

दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की खोज कर रहे हैं जो एक साथ दो काम कर सकें: एक हार्ड ड्राइव की तरह चुंबकीय अवस्था को याद रख सकें और एक लाइट स्विच की तरह बिजली से उस अवस्था को बदल सकें। यह सपना 'मल्टीफेरोइक्स' (multiferroics) नामक पदार्थों के एक वर्ग से जुड़ा है, जहाँ विद्युत आवेशों की व्यवस्था और चुंबकीय स्पिन का संरेखण आपस में बंधा होता है। यदि ऐसे पदार्थ को एक साधारण विद्युत क्षेत्र द्वारा नियंत्रित किया जा सके, तो यह कंप्यूटरों को वर्तमान तकनीक की तुलना में बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करके सूचना संसाधित करने की अनुमति देगा, जो गर्मी उत्पन्न करने वाली विद्युत धाराओं के संचलन पर निर्भर करती है। हालाँकि, एक ऐसा पदार्थ खोजना जो चुंबकीय और विद्युत रूप से स्विच करने योग्य दोनों हो, कठिन रहा है, क्योंकि इसमें अक्सर जटिल रसायन विज्ञान की आवश्यकता होती है या इसके प्रभाव कमजोर होते हैं। हाल ही में, 'अल्टरमैग्नेटिज्म' (altermagnetism) नामक एक नया प्रकार का चुंबकीय क्रम एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरा है। साधारण चुंबकों, जिनमें एक शुद्ध खिंचाव होता है, या एंटीफेरोमैग्नेट्स, जहाँ चुंबकीय बल पूरी तरह से एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, के विपरीत, अल्टरमैग्नेट्स में एक छिपी हुई, वैकल्पिक संरचना होती है जो बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के इलेक्ट्रॉनों को उनके स्पिन के आधार पर विभाजित करती है। यह उन्हें अविश्वसनीय रूप से तेज़ और मजबूत बनाता है, लेकिन अब तक यह स्पष्ट नहीं था कि क्या उन्हें वास्तव में एक उपयोगी उपकरण बनाने के लिए विद्युत क्षेत्र द्वारा स्विच किया जा सकता है।

चिली विश्वविद्यालय के एक शोधकर्ता ने अब ठीक इसी तरह के पदार्थ के लिए एक सैद्धांतिक खाका प्रस्तावित किया है। उन्होंने यह देखने के लिए परमाणुओं के एक द्वि-आयामी ग्रिड का एक सरल गणितीय मॉडल बनाया कि क्या वे तीन विशिष्ट व्यवहारों को एक साथ प्रकट करने के लिए मजबूर कर सकते हैं: एक विशिष्ट चुंबकीय क्रम, एक विद्युत ध्रुवीकरण (polarization), और स्पिन-ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह। परमाणुओं को एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित करके जहाँ उनके बीच के बंधन थोड़े असमान होते हैं, और फिर एक बाहरी विद्युत क्षेत्र लागू करके, शोधकर्ता ने पाया कि सिस्टम स्वाभाविक रूप से इन तीनों गुणों को विकसित करता है। सबसे उल्लेखनीय खोज यह है कि ये गुण न केवल एक साथ मौजूद हैं, बल्कि गतिशील रूप सेกัน जुड़े (entangled) हुए हैं। इसका अर्थ यह है कि यदि आप विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके सामग्री के विद्युत ध्रुवीकरण की दिशा बदलते हैं, तो चुंबकीय संरचना और इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह तुरंत खुद को पुनर्गठित करने के लिए मजबूर हो जाता है। विद्युत क्षेत्र पूरे सिस्टम को नियंत्रित करने वाले एक एकल मास्टर स्विच के रूप में कार्य करता है।

शोधकर्ता ने अपना मॉडल एक ऐसे ग्रिड पर बनाया जहाँ इलेक्ट्रॉन साइटों के बीच कूद (hop) सकते हैं, लेकिन उन्होंने इसमें एक मोड़ दिया: पड़ोसी परमाणुओं के बीच संबंध की शक्ति एक दोहराते हुए पैटर्न में बदलती है, जो एक 'डाइमेराइज्ड' (dimerized) संरचना बनाती है। उन्होंने फिर ऐसे इंटरैक्शन जोड़े जो इलेक्ट्रॉनों को अपने स्पिन और ऑर्बिटल्स को एक विशिष्ट, वैकल्पिक तरीके से संरेखित करने के लिए प्रोत्साहित करते हैं। जब उन्होंने एक विशिष्ट दिशा में एक विद्युत क्षेत्र चालू किया, तो इसने ग्रिड की समरूपता (symmetry) को तोड़ दिया, जिससे एक स्थायी विद्युत द्विध्रुव (dipole) बन गया। इस अवस्था में, सामग्री एक 'फेरोइलेक्ट्रिक' बन गई, जो आवेश धारण करने में सक्षम है। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि अंतर्निहित चुंबकीय संरचना पहले से ही मौजूद थी, विद्युत क्षेत्र ने केवल आवेशों को ही नहीं हिलाया; इसने स्पिन ध्रुवीकरण की दिशा को भी बदल दिया। शोधकर्ता ने गणना की कि जैसे-जैसे विद्युत क्षेत्र को आगे-पीछे घुमाया जाएगा, आवेश और स्पिन ध्रुवीकरण एक साथ उछलेंगे, जिससे वे एक ही क्षण में अपनी अवस्था बदल लेंगे। यह एक ऐसी मेमोरी प्रभाव पैदा करता है जहाँ विद्युत क्षेत्र का इतिहास सामग्री की वर्तमान चुंबकीय और विद्युत अवस्था को निर्धारित करता है।

जो इस खोज को विशेष रूप से शक्तिशाली बनाता है, वह है स्पिन स्विचिंग के पीछे का तंत्र। कई पारंपरिक सामग्रियों में, चुंबकत्व को नियंत्रित करने के लिए बिजली की आवश्यकता स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग (spin-orbit coupling) होती है, जो एक सापेक्षिक प्रभाव है जो अक्सर कमजोर और कठिन होता है। इस मॉडल में, स्पिन स्विचिंग शुद्ध रूप से इस कारण से होती है कि इलेक्ट्रॉन असमान लैटिस के माध्यम से कैसे चलते हैं और चुंबकीय क्रम के कारण होती है। शोधकर्ता ने दिखाया कि सामग्री शुद्ध स्पिन धाराओं (spin currents) का एक जनरेटर के रूप में कार्य करती है। जब विद्युत क्षेत्र समय के साथ बदलता है, तो यह बिना किसी शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र या बाहरी चुंबकों की आवश्यकता के, एक विशिष्ट स्पिन दिशा वाले इलेक्ट्रॉनों की धारा को सामग्री के माध्यम से पंप करता है। यह विद्युत ऊर्जा का स्पिन परिवहन में एक सीधा रूपांतरण है, एक ऐसी प्रक्रिया जो लॉजिक डिवाइसेस की एक नई पीढ़ी का आधार हो सकती है। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि यह व्यवहार मजबूत है, जिसका अर्थ है कि चुंबकीय क्रम विद्युत क्षेत्र द्वारा नष्ट नहीं होता है, बल्कि वास्तव में इसके द्वारा सुदृढ़ होता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उपकरण स्थिर बना रहे।

अध्ययन ने चुंबकीय शक्ति में परिवर्तन के बारे में एक सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण विवरण भी प्रकट किया। जबकि विद्युत ध्रुवीकरण एक स्विच की तरह दिशा बदलता है, चुंबकीय क्रम की शक्ति लागू किए गए क्षेत्र के साथ एक 'बटरफ्लाई' (तितली) के आकार में ऊपर-नीचे होती है। यह इंगित करता है कि विद्युत क्षेत्र केवल चुंबकत्व को चालू या बंद नहीं करता है, बल्कि सूक्ष्म रूप से इसकी तीव्रता को ट्यून करता है। शोधकर्ता का सुझाव है कि व्यवहारों का यह विशिष्ट संयोजन—जहाँ एक एकल विद्युत क्षेत्र एक साथ आवेश, स्पिन और चुंबकीय शक्ति को नियंत्रित करता है—वास्तविक सामग्रियों, जैसे कि कुछ द्वि-आयामी वैनेडियम यौगिकों में पाया जा सकता है। यह प्रदान करके कि ये प्रभाव कैसे उत्पन्न होते हैं, यह कार्य उन प्रयोगात्मक वैज्ञानिकों के लिए एक मार्गदर्शक है जो इन सामग्रियों को संश्लेषित करने की तलाश में हैं। अंतिम लक्ष्य ऐसे उपकरण बनाना है जो संतुलित चुंबकों (compensated magnets) में पाई जाने वाली गति और चुंबकीय हस्तक्षेप की कमी को फेरोइलेक्ट्रिक्स की कम-शक्ति वाली स्विचिंग क्षमताओं के साथ जोड़ सकें, जिससे संभावित रूप से वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ की तुलना में तेज़, छोटे और बहुत अधिक ऊर्जा-कुशल कंप्यूटर मिल सकें।