Phase-controlled perfect nonlocal spin and charge diode effects in a four-terminal Josephson junction with $p$-wave magnets

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, बिजली की दिशा को नियंत्रित करना मौलिक है। ठीक वैसे ही जैसे एकतरफा सड़क यातायात जाम को रोकने के लिए कारों को एक ही दिशा में चलने के लिए मजबूर करती है, डायोड नामक इलेक्ट्रॉनिक घटक यह सुनिश्चित करते हैं कि विद्युत धारा एक दिशा में आसानी से प्रवाहित हो, लेकिन दूसरी दिशा में रुक जाए। आवेश के प्रवाह को सुधारने (rectify), या सीधा करने की यह क्षमता सरल पावर सप्लाई से लेकर जटिल कंप्यूटर चिप्स तक, सब कुछ का आधार है। दशकों से, इस नियंत्रण के लिए ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में नष्ट करने पर निर्भरता रही है, एक ऐसी प्रक्रिया जो अपशिष्ट उत्पन्न करती है और दक्षता को सीमित करती है। हालाँकि, भौतिकी का एक नया क्षेत्र यह पता लगाने की खोज कर रहा है कि सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक)—ऐसे पदार्थ जो बिना किसी प्रतिरोध और ऊर्जा हानि के बिजली का संचालन करते हैं—का उपयोग करके इसी तरह का दिशात्मक नियंत्रण कैसे प्राप्त किया जाए। जबकि वैज्ञानिकों ने हाल ही में यह खोजा है कि सुपरकंडक्टिंग धाराओं को विद्युत आवेश के लिए एकतरफा सड़क की तरह कैसे बनाया जाए, एक अधिक मायावी लक्ष्य बना हुआ है: स्पिन के लिए इसी तरह का एकतरफा प्रभाव बनाना। स्पिन इलेक्ट्रॉनों का एक अंतर्निहित गुण है, जिसे अक्सर एक छोटे आंतरिक चुंबक के रूप में देखा जाता है, और ऊर्जा खोए बिना इस स्पिन के प्रवाह को नियंत्रित करना स्पिंट्रोनिक्स नामक क्षेत्र के लिए एक 'होली ग्रेल' (अत्यंत महत्वपूर्ण लक्ष्य) है, जिसका उद्देश्य तेज़, अधिक कुशल उपकरण बनाना है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब सैद्धांतिक रूप से एक ऐसे उपकरण में विद्युत आवेश और इलेक्ट्रॉन स्पिन दोनों पर पूर्ण, हानि रहित नियंत्रण बनाने का तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने सामग्रियों की एक विशिष्ट व्यवस्था प्रस्तावित की है, जो मूल रूप से एक क्रॉस के आकार का जंक्शन है जहाँ चार अलग-अलग सुपरकंडक्टिंग लीड्स एक केंद्रीय बाधा (barrier) से मिलते हैं। दो लीड्स एक विशेष प्रकार की चुंबकीय सामग्री से बनी हैं जिसे सुपरकंडक्टिंग होने के लिए प्रेरित किया गया है, जबकि अन्य दो लीड्स एक अलग प्रकार के सुपरकंडक्टर से बनी हैं जो स्वाभाविक रूप से एक विशिष्ट प्रकार के चुंबकीय संरेखण को धारण करती हैं। इन विभिन्न भुजाओं के बीच क्वांटम मैकेनिकल फेजों (phases)—सोचिए कि ये इलेक्ट्रॉन तरंगों का समय या लय हैं—को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे उपकरण को एक पूर्ण डायोड के रूप में कार्य करने के लिए मजबूर कर सकते हैं। इस सेटअप में, उपकरण स्पिन या चार्ज के प्रवाह को 100% दक्षता के साथ एक दिशा में जाने देता है, जबकि दिशा उलटने पर उसी प्रवाह को पूरी तरह से रोक देता है। उल्लेखनीय रूप से, इस पूर्ण अवरोध और प्रवाह व्यवहार को वोल्टेज गेट पर एक नॉब घुमाकर या चुंबकीय सामग्री की क्रिस्टल संरचना को घुमाकर चालू या बंद किया जा सकता है, या यहाँ तक कि उल्टा भी किया जा सकता है।

शोधकर्ताओं द्वारा मॉडल किए गए उपकरण में एक सामान्य धातु (normal metal) का केंद्रीय क्षेत्र शामिल है, जो चार अर्ध-अनंत भुजाओं को जोड़ने वाली एक बाधा के रूपas कार्य करता है। बाईं और दाईं भुजाएं एक चुंबकीय सामग्री से बनी हैं जिसकी एक विशिष्ट आंतरिक संरचना है, जिसे p-वेव मैग्नेट (p-wave magnet) कहा जाता है, जिसे एक पारंपरिक सुपरकंडक्टर के संपर्क में लाकर सुपरकंडक्टिंग अवस्था प्रेरित की गई है। ऊपर और नीचे की भुजाएं एक अलग सुपरकंडक्टिंग सामग्री से बनी हैं जो स्वाभाविक रूप से एक अद्वितीय चुंबकीय संरेखण धारण करती है जिसे ट्रिपलेट स्टेट (triplet state) कहा जाता है। जब शोधकर्ताओं ने इस क्रॉस के आकार की संरचना के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह का अनुकरण (simulate) किया, तो उन्होंने पाया कि करंट का व्यवहार पूरी तरह से विभिन्न भुजाओं के बीच सापेक्ष समय, या फेज अंतर (phase difference) पर निर्भर करता है। जब ऊपर और नीचे की भुजाओं के बीच का समय अंतर शून्य पर सेट किया गया था, तो उपकरण स्पिन के लिए एक पूर्ण डायोड के रूप में कार्य करता था लेकिन चार्ज को दोनों दिशाओं में समान रूप से बहने देता था। इस अवस्था में, उपकरण स्पिन करंट की एक शुद्ध धारा उत्पन्न करता था जो केवल एक दिशा में बहती थी, चाहे शोधकर्ता इसे दूसरी तरफ धकेलने की कितनी भी कोशिश क्यों न करें।

स्थिति तब और भी दिलचस्प हो गई जब शोधकर्ताओं ने ऊपर और नीचे की भुजाओं के बीच एक सीमित समय अंतर पेश किया। इस विन्यास में, उपकरण एक साथ स्पिन और चार्ज दोनों के लिए एक पूर्ण डायोड बन गया। इसका अर्थ है कि उपकरण को एक दिशा में बिजली और स्पिन प्रवाहित करने के लिए बनाया जा सकता है, जबकि विपरीत दिशा में यह एक पूर्ण इन्सुलेटर (कुचालक) के रूप में कार्य करता है, और यह सब बिना किसी ऊर्जा हानि के होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस एकतरफा प्रवाह की दिशा को अत्यधिक सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। केंद्रीय धातु बाधा पर लागू वोल्टेज को समायोजित करके, वे स्पिन करंट की दिशा को बदल सकते थे, जिससे यह एक तरफ पूरी तरह से बहने से दूसरी तरफ पूरी तरह से बहने में स्विच हो जाता था। यह स्विचिंग लगभग तुरंत हुई, जैसे कि एक लाइट स्विच को फ्लिप करना, न कि धीरे-धीरे कम होना। इसी तरह, चुंबकीय भुजाओं के आंतरिक क्रिस्टल ओरिएंटेशन को घुमाकर, वे प्रवाह की दिशा को भी उलट सकते थे। यह दोहरा नियंत्रण, वोल्टेज और भौतिक अभिविन्यास (orientation) दोनों का उपयोग करके, उपकरण को विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए ट्यून करने का एक शक्तिशाली तरीका प्रदान करता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष केवल आदर्श स्थितियों का एक संयोग नहीं हैं, शोधकर्ताओं ने अपने डिज़ाइन का विभिन्न वास्तविक दुनिया की खामियों के विरुद्ध परीक्षण किया। उन्होंने उन परिदृश्यों का अनुकरण किया जहाँ उपकरण के विभिन्न हिस्सों के बीच संबंध पूरी तरह से समान नहीं थे, जहाँ सामग्रियों में यादृच्छिक अशुद्धियाँ थीं, और जहाँ तापमान बढ़ाया गया था। उन्होंने सुपरकंडक्टिंग गुणों और जंक्शन के भौतिक आकार को भी बदला। हर मामले में, पूर्ण एकतरफा व्यवहार बरकरार रहा। उपकरण ने एक दिशा में करंट को रोकने और दूसरी दिशा में पास करने का काम 100% दक्षता के साथ जारी रखा, भले ही मापदंडों को महत्वपूर्ण रूप से बदल दिया गया हो। यह सुझाव देता है कि यह प्रभाव इस विशिष्ट सामग्री व्यवस्था का एक मौलिक गुण है और यह हर विवरण को पूर्णता के साथ सूक्ष्म रूप से ट्यून करने पर निर्भर नहीं है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह चार-टर्मिनल जंक्शन एक अत्यंत स्थिर और ट्यूनेबल प्लेटफॉर्म प्रदान करता है जो ऊर्जा बर्बाद किए बिना स्पिन और चार्ज को नियंत्रित करने वाले उपकरण बनाने का मार्ग प्रशस्त करता है, जो यह क्रांतिकारी बदलाव ला सकता है कि हम सूचना को कैसे प्रोसेस करते हैं।