A high-entropy form of $R$Mn$_6$Sn$_6$ with distinct magnetotransport regimes correlated to different magnetic structures

चुंबकत्व को अक्सर एक सरल बल के रूप में सोचा जाता है, वह अदृश्य खिंचाव जो एक दिशा सूचक सुई को उत्तर की ओर इंगित करता है या एक फ्रिज मैग्नेट को दरवाजे से चिपका देता है। फिर भी, कुछ क्रिस्टलों की सूक्ष्म दुनिया में, चुंबकत्व एक जटिल परिदृश्य है जहाँ परमाणु स्पिन (spins) की दिशा तापमान बदलने के साथ बदल सकती है, मुड़ सकती है और पुनर्गठित हो सकती है। वैज्ञानिक लंबे समय से 'कागोमे मैग्नेट' (kagome magnets) नामक सामग्रियों के एक विशिष्ट परिवार से मंत्रमुग्ध रहे हैं, जिनका नाम उनके परमाणु जाली (lattice) के बुने हुए पैटर्न के कारण रखा गया है, जो एक पारंपरिक जापानी टोकरी की बुनाई जैसा दिखता है। ये सामग्रियां विशेष हैं क्योंकि इनके इलेक्ट्रॉन इस तरह से गति कर सकते हैं जो असामान्य विद्युत गुण पैदा करते हैं, और इनका चुंबकीय व्यवहार इनमें अंतर्निहित दुर्लभ-पृथ्वी (rare-earth) तत्वों द्वारा निर्धारित होता है। विभिन्न दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों को आपस में मिलाकर, शोधकर्ता उन नए पदार्थ अवस्थाओं (states of matter) को बनाने की आशा करते हैं जो शुद्ध रूपों में मौजूद नहीं होती हैं, जिससे डेटा स्टोरेज या ऊर्जा दक्षता के लिए उन्नत तकनीकें विकसित हो सकती हैं। हालिया कार्य को प्रेरित करने वाला प्रश्न यह है कि क्या इन तत्वों का मिश्रण एक अराजक अव्यवस्था पैदा करता है या एक नई, पूर्वानुमेय व्यवस्था और अद्वितीय क्षमताओं वाला स्वरूप।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया, उच्च-एन्ट्रॉपी (high-entropy) क्रिस्टल बनाकर इस प्रश्न का पता लगाया है, जो छह अलग-अलग दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों का एक सटीक मिश्रण है: टेरबियम, डिस्प्रोसियम, होल्मियम, अर्बियम, थुलियम और लुटेटियम। उन्होंने इन्हें मैंगनीज और टिन के साथ मिलाया ताकि एक एकल क्रिस्टल उगाया जा सके, एक ऐसी प्रक्रिया जिसके लिए सामग्री को टेंटलम ट्यूब में सील करना और 1200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर गर्म करना आवश्यक था, और फिर बड़े, मिलीमीटर आकार के षटकोणीय (hexagonal) क्रिस्टल बनाने के लिए उन्हें धीरे-धीरे ठंडा किया गया। यह नई सामग्री, जिसे टीम HE166 कहती है, एक गिरगिट की तरह व्यवहार करती है, जो एक गर्म अवस्था से परम शून्य (absolute zero) के करीब तक ठंडा होने पर अपने चुंबकीय व्यक्तित्व को तीन बार बदलती है। उच्च तापमान पर, 380 केल्विन से ऊपर, सामग्री एक पैरामैग्नेट (paramagnet) के रूप में कार्य करती है, जहाँ परमाणु स्पिन अव्यवस्थित होते हैं। जैसे ही यह इस बिंदु से नीचे ठंडी होती है, यह एक फेरिमैग्नेटिक (ferrimagnetic) अवस्था में स्थिर हो जाती है जहाँ स्पिन मुख्य रूप से एक सपाट तल में संरेखित होते हैं। हालाँकि, इसी तरह रहने के बजाय, सामग्री 270 और 170 केल्विन के बीच एक व्यापक और असामान्य संक्रमण (transition) से गुजरती है, जहाँ यह धीरे-धीरे एक सपाट संरेखण से ऊर्ध्वाधर (vertical) संरेखण की ओर स्थानांतरित होती है। अंततः, 79 केल्विन से नीचे, यह एक झुकी हुई, या 'कैंटेड' (canted) ग्राउंड स्टेट में स्थिर हो जाती है। विभिन्न चुंबकीय चरणों के माध्यम से की गई यह यात्रा केवल एक दुर्लभ-पृथ्वी तत्व से बने क्रिस्टल में देखी जाने वाली स्थिति से भिन्न है, जो यह सुझाव देती है कि स्वयं यह मिश्रण एक प्रकार की नई चुंबकीय जटिलता पैदा करता है।

यह खोज विशेष रूप से महत्वपूर्ण है कि यह सामग्री बिजली का संचालन कैसे करती है जब इसकी चुंबकीय संरचना बदल रही होती है। अधिकांश चुंबकीय सामग्रियों में, चुंबकीय क्षेत्र लागू किए जाने पर विद्युत प्रवाह के प्रति प्रतिरोध एक अनुमानित, स्थिर तरीके से बदलता है। हालाँकि, इस नए क्रिस्टल में, प्रतिरोध एक गैर-एकदिष्ट (non-monotonic) तरीके से व्यवहार करता है, जिसका अर्थ है कि यह केवल सीधा ऊपर या नीचे नहीं जाता है। इसके बजाय, प्रतिरोध दिशा बदलता है, तापमान और लागू चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के आधार पर बढ़ता और फिर गिरता है, या गिरता और फिर बढ़ता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये अजीब विद्युत परिवर्तन ठीक उसी समय होते हैं जब आंतरिक चुंबकीय संरचना बदल रही होती है। क्रिस्टल पर न्यूट्रॉन की बौछार करके—एक ऐसी तकनीक जो वैज्ञानिकों को परमाणुओं और उनके स्पिन की व्यवस्था देखने की अनुमति देती है—उन्होंने खोजा कि ये विद्युत विचित्रताएं एक विशिष्ट प्रकार की चुंबकीय अव्यवस्था के कारण होती हैं। सपाट और ऊर्ध्धर चुंबकीय अवस्थाओं के बीच के संक्रमण क्षेत्र में, स्पिन एक लहरदार, मॉड्युलेटेड पैटर्न बनाते हैं जो क्रिस्टल के ग्रिड के साथ पूरी तरह से मेल नहीं खाता है। यह 'इनकमेंसुरेट' (incommensurate) पैटर्न, जहाँ चुंबकीय तरंगें परमाणुओं के अंतराल से मेल नहीं खाती हैं, चलते इलेक्ट्रॉनों के लिए अतिरिक्त प्रतिरोध पैदा करती है। जब एक चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है, तो यह इन तरंगों को सुचारू बना देता है, जिससे प्रतिरोध तेजी से गिर जाता है।

अध्ययन ने यह भी प्रकट किया कि इस मिश्रित क्रिस्टल का व्यवहार इसके हिस्सों का केवल एक साधारण औसत नहीं है। समान उच्च-एन्ट्रॉपी सामग्रियों पर पिछले अध्ययनों ने चुंबकीय संक्रमण तो दिखाए थे, लेकिन उन्होंने इस विशिष्ट, व्यापक संक्रमण क्षेत्र या साथ में होने वाले गैर-एकदिष्ट विद्युत प्रतिरोध को नहीं देखा था। शोधकर्ता तर्क देते हैं कि ऐसे दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों की उपस्थिति, जो स्वाभाविक रूप से अपने शुद्ध रूपों में अलग-अलग चुंबकीय व्यवस्थाओं को पसंद करते हैं, इस अद्वितीय व्यवहार को संचालित करती है। इन विभिन्न तत्वों के बीच की प्रतिस्पर्धा क्रिस्टल को एक एकल, सरल चुंबकीय क्रम में बसने से रोकती है, जिससे यह एक ऐसी अवस्था में धकेल दिया जाता है जहाँ स्पिन लगातार संघर्ष और पुनर्गठित होते रहते हैं। यह प्रतिस्पर्धा एक समृद्ध वातावरण बनाती है जहाँ सामग्री की बिजली संचालित करने की क्षमता सूक्ष्म चुंबकीय बनावट के साथ मजबूती से जुड़ी होती है। निष्कर्ष बताते हैं कि दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों के चयन को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वैज्ञानिक विशिष्ट चुंबकीय और विद्युत प्रतिक्रियाओं वाली सामग्रियां इंजीनियर कर सकते हैं जो एकल-तत्व क्रिस्टल के साथ संभव नहीं हैं।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र धातुएं चुंबकीय सामग्रियों के गुणों को ट्यून करने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करती हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि विभिन्न दुर्लभ-पृथ्वी आयनों के बीच की परस्पर क्रिया जटिल स्पिन संरचनाएं उत्पन्न कर सकती है जो सीधे तौर पर इस बात को प्रभावित करती हैं कि सामग्री के माध्यम से बिजली कैसे प्रवाहित होती है। एक व्यापक संक्रमण क्षेत्र और गैर-एकदिष्ट मैग्नेटोरेसिस्टेंस (magnetoresistance) का अवलोकन इन प्रतिस्पर्धी अंतःक्रियाओं का एक स्पष्ट संकेत प्रदान करता है। हालांकि अध्ययन तुरंत किसी व्यावसायिक अनुप्रयोग का प्रस्ताव नहीं देता है, यह स्थापित करता है कि चुंबकीय तत्वों को मिलाने से कैसे नई भौतिक अवस्थाएं बनाई जा सकती हैं। तापमान और चुंबकीय क्षेत्रों के माध्यम से इन अवस्थाओं को नियंत्रित करने की क्षमता ऐसी सामग्रियां डिजाइन करने का मार्ग प्रशस्त करती है जहाँ विद्युत प्रतिरोध को नवीन तरीकों से स्विच या मॉड्युलेट किया जा सकता है, जो अंतर्निहित चुंबकीय वास्तुकला द्वारा संचालित होता है। यह क्रिस्टल एक प्रमाण (proof of concept) के रूप में कार्य करता है कि चुंबकीय सामग्रियों का भविष्य केवल एक एकल पूर्ण तत्व को खोजने में नहीं, बल्कि कई के जानबूझकर और जटिल मिश्रण में निहित है।