Signatures of a ferro-Josephson effect in twisted graphene

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार ऐसे पदार्थों की खोज कर रहे हैं जो सूचनाओं को नए तरीकों से ले जा सकें, जो अक्सर इलेक्ट्रॉनों के सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन (spins) के हेरफेर द्वारा संचालित होते हैं। दशकों से, एक प्रमुख ध्यान इस बात पर रहा है कि विभिन्न चुंबकीय संरेखण वाले क्षेत्रों के बीच की सीमाओं, जिन्हें डोमेन वॉल (domain walls) कहा जाता है, से टकराने पर ये स्पिन कैसे व्यवहार करते हैं। मानक चुंबकीय सामग्रियों में, ऐसी दीवार के माध्यम से धारा (current) प्रवाहित करने से आमतौर पर वह दीवार केवल खिसक जाती है या अटक जाती है, जो घर्षण जैसे बलों द्वारा संचालित होती है। हालांकि, एक अधिक विलक्षण संभावना मौजूद है जहाँ बिजली का प्रवाह न केवल दीवार को हिलाता है, बल्कि इसके भीतर के चुंबकीय क्षणों (magnetic moments) को एक लयबद्ध तरीके से डगमगाने या घूमने के लिए प्रेरित करता है। यदि यह लयबद्ध गति होती है, तो यह एक वोल्टेज उत्पन्न कर सकती है जो साधारण प्रतिरोध से मौलिक रूप से भिन्न होती है, जिससे एक ऐसा संकेत मिलता है जो सामान्य धारा की शक्ति के बजाय स्पिन के घूमने की गति से जुड़ा होता है। इस घटना को नए पदार्थों में कैसे देखा और नियंत्रित किया जा सकता है, इसे समझना भविष्य की उन तकनीकों के विकास के लिए महत्वपूर्ण है जो इलेक्ट्रॉन स्पिन के सटीक हेरफेर पर निर्भर करती हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ट्विस्टेड ग्राफीन (twisted graphene) की परतों से बने एक विशेष उपकरण में इस प्रभाव के पुख्ता प्रमाण खोज लिए हैं। ग्राफीन की एक परत को तीन समान परतों के ऊपर रखकर और उन्हें एक-दूसरे के सापेक्ष थोड़ा घुमाकर (twist करके), उन्होंने एक ऐसी संरचना बनाई जहाँ इलेक्ट्रॉन अत्यधिक समन्वित और सामूहिक रूप से व्यवहार करते हैं। जब उन्होंने इस उपकरण को अत्यंत निम्न तापमान तक ठंडा किया और विशिष्ट विद्युत सेटिंग्स लागू कीं, तो उन्होंने पाया कि सामग्री ने स्वतः ही विभिन्न चुंबकीय दिशाओं वाले क्षेत्र विकसित कर लिए। सबसे उल्लेखनीय खोज तब हुई जब उन्होंने सामग्री की सतह के समानांतर एक सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र लगाया। ठीक शून्य क्षेत्र (zero field) पर, उपकरण का विद्युत प्रतिरोध नाटकीय रूप से बढ़ गया, लेकिन केवल तभी जब एक छोटी धारा प्रवाहित हो रही थी। जैसे ही धारा बंद की गई, यह उछाल गायब हो गया। इस व्यवहार ने सुझाव दिया कि धारा स्वयं चुंबकीय सीमाओं को घुमाने के लिए प्रेरित कर रही थी, जिससे एक गतिशील अवस्था बन रही थी जो बिजली के प्रवाह का विरोध करती थी।

शोधकर्ताओं ने देखा कि यह प्रतिरोध शिखर (resistance peak) चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और शक्ति के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील था। कुछ सौ माइक्रोटेस्ला जितना कमजोर क्षेत्र भी इस प्रभाव को दबाने के लिए पर्याप्त था, जिससे चुंबकीय सीमाएं एक निश्चित स्थिति में लॉक हो गईं, जब तक कि धारा इतनी मजबूत न हो जाए कि उस लॉक को पार कर सके। यह थ्रेशोल्ड करंट (threshold current) चुंबकीय क्षेत्र के साथ रैखिक रूप से बढ़ा, जो एक संबंध था जो लेखकों द्वारा 'फेरो-जोसेफसन प्रभाव' (ferro-Josephson effect) कहे जाने वाले घटना के सैद्धांतिक पूर्वानुमान से मेल खाता है। इस परिदृश्य में, धारा एक टॉर्क (torque) की तरह कार्य करती है, जो दीवार के भीतर के चुंबकीय क्षणों को घुमाने का प्रयास करती है। जब चुंबकीय क्षेत्र शून्य होता है, तो क्षण स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए स्वतंत्र होते हैं, और यह घूमने वाली गति एक वोल्टेज ड्रॉप उत्पन्न करती है जो प्रतिरोध में एक तीव्र शिखर के रूप में दिखाई देती है। जब एक छोटा चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो यह एक ब्रेक की तरह कार्य करता है, जो क्षणों को अपनी जगह पर थामे रखता है जब तक कि धारा उस पकड़ को तोड़ने और घूमने की प्रक्रिया को फिर से शुरू करने के लिए पर्याप्त मजबूत न हो जाए। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह प्रभाव केवल वर्तमान द्वारा सामग्री को गर्म करने या चुंबकीय दीवारों को भौतिक बाधाओं से धकेलने के कारण नहीं है, क्योंकि उन तंत्रों में चुंबकीय क्षेत्र पर इतनी सटीक निर्भरता नहीं होती या वे धारा हटाते ही इतने साफ तरीके से गायब नहीं होते।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह प्रभाव सामग्री के विशिष्ट चुंबकीय डोमेन व्यवस्था पर निर्भर करता है, टीम ने प्रयोग किए जहाँ उन्होंने जानबूझकर सामग्री की चुंबकीय स्थिति को रीसेट किया। उन्होंने पाया कि प्रतिरोध का उछाल केवल तभी दिखाई देता था जब सामग्री में चुंबकीय क्षेत्रों का एक विशिष्ट मिश्रण हो: एक क्षेत्र जहाँ स्पिन सामग्री की आंतरिक संरचना द्वारा ऊर्ध्द्य (vertical) दिशा में मजबूती से लॉक थे, और एक पड़ोसी क्षेत्र जहाँ स्पिन क्षैतिज (horizontal) तल में आसानी से घूमने के लिए स्वतंत्र थे। जब शोधकर्ताओं ने बाहरी चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करके सभी स्पिनों को एक ही दिशा में संरेखित किया, तो प्रतिरोध का उछाल गायब हो गया। हालाँकि, जैसे ही उन्होंने क्षेत्र को शून्य से वापस घुमाया, आसानी से घूमने वाला क्षेत्र अपनी दिशा बदल देता था जबकि लॉक किया गया क्षेत्र स्थिर रहता था, जिससे उस सीमा का पुनरुत्पादन हुआ जिसकी आवश्यकता प्रभाव की वापसी के लिए थी। इस व्यवहार ने पुष्टि की कि यह घटना इन दो अलग-अलग चुंबकीय अवस्थाओं के बीच की सीमा और प्रवाहित धारा के बीच की अंतःक्रिया का प्रत्यक्ष परिणाम थी।

अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि यह प्रभाव उन ऊर्जा स्तरों पर कार्य करता है जो निम्नतम प्रयोगात्मक तापमानों पर भी मौजूद तापीय ऊर्जा (thermal energy) से कहीं कम हैं, जो यह सुझाव देता है कि यह इलेक्ट्रॉनों की सामूहिक गति द्वारा संचालित एक शुद्ध क्वांटम यांत्रिक प्रक्रिया है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि हालांकि उनका स्पष्टीकरण डेटा के साथ पूरी तरह फिट बैठता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों और घूमती दीवार के बीच की सटीक अंतःक्रिया के विवरण को अभी भी परिष्कृत किया जा रहा है। वे प्रस्ताव देते हैं कि यह प्रभाव इन सामग्रियों के भीतर अदृश्य चुंबकीय बनावट (magnetic textures) को जांचने के लिए एक अत्यधिक संवेदनशील उपकरण के रूप में कार्य कर सकता है, जो यह अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करता है कि इलेक्ट्रॉन जटिल क्वांटम प्रणालियों में खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं। यह प्रदर्शित करके कि एक सरल विद्युत धारा चुंबकीय सीमाओं की एक लयबद्ध, घूमने वाली गति को प्रेरित कर सकती है, यह कार्य भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इन सूक्ष्म चुंबकीय गतिकी को नियंत्रित करने और उपयोग करने के तरीके को समझने में एक नया अध्याय खोलता है।