Electron spin resonance driven photogalvanic effect in graphene-based structures
यह शोध पत्र बिना किसी बाहरी वोल्टेज (unbiased) वाले मोनोलेयर ग्राफीन और WSe₂/ग्राफीन हेटरोस्ट्रक्चर में इलेक्ट्रॉन-स्पिन-रेजोनेंस-ड्रिवन लीनियर फोटोगैल्वेनिक प्रभाव के अवलोकन की रिपोर्ट करता है और सैद्धांतिक रूप से इसकी व्याख्या करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि स्पिन ट्रांज़िशन द्वारा उत्पन्न अनुनादी फोटोकरंट (resonant photocurrents) टू-डायमेंशनल उपकरणों में इलेक्ट्रॉन स्पिन रेजोनेंस के लिए एक संवेदनशील प्रोब के रूप में कार्य कर सकते हैं।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने की क्षमता मौलिक है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों का एक अधिक सूक्ष्म गुण ध्यान आकर्षित कर रहा है: उनका स्पिन (घूर्णन)। कल्पना कीजिए कि एक इलेक्ट्रॉन केवल आवेश का एक छोटा कण नहीं है, बल्कि अपने अक्ष पर घूमने वाला एक सूक्ष्म चुंबक है। यह स्पिन इलेक्ट्रॉन को एक चुंबकीय व्यक्तित्व देता है, जो या तो "ऊपर" या "नीचे" की ओर संकेत करता है। वैज्ञानिकों ने इन स्पिन्स का अध्ययन करने के लिए लंबे समय से इलेक्ट्रॉन स्पिन रेजोनेंस नामक तकनीक का उपयोग किया है, जो बिल्कुल वैसा ही है जैसे एक रेडियो ट्यूनर एक विशिष्ट आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) से मेल खाकर एक विशिष्ट स्टेशन खोजता है। जब सही चुंबकीय क्षेत्र और ऊर्जा लागू की जाती है, तो स्पिन्स पलट जाते हैं, जिससे उस सामग्री के बारे में विवरण प्रकट होता है जिसमें वे निवास करते हैं। हालाँकि, सूक्ष्म उपकरणों में इस बदलाव (फ्लिप) का पता लगाना कठिन रहा है क्योंकि पारंपरिक तरीकों के लिए भारी उपकरणों की आवश्यकता होती है जो इतने कम द्रव्यमान को महसूस करने में संघर्ष करते हैं। शोधकर्ता केवल बिजली (इलेक्ट्रिसिटी) का उपयोग करके इन स्पिन्स को "सुनने" का एक तरीका खोज रहे थे, बिना किसी बड़े बाहरी सेंसर की आवश्यकता के, ताकि उन सामग्रियों को बेहतर ढंग से समझा और नियंत्रित किया जा सके जो हमारी भविष्य की तकनीकों को शक्ति प्रदान करती हैं।
भौतिकविदों की एक टीम ने अब ठीक यही करने का एक तरीका खोज लिया है, जिसमें एक परमाणु जितनी पतली सामग्री का उपयोग किया गया है: ग्राफीन। एक नए अध्ययन में, उन्होंने प्रदर्शित किया कि वे ग्राफीफ और टंगस्टन डिसेलेनाइड नामक दूसरी सामग्री से बनी एक सैंडविच जैसी संरचना और ग्राफीन में इलेक्ट्रॉन स्पिन के पलटने का पता लगा सकते हैं, और यह केवल एक छोटे वोल्टेज को मापकर किया जा सकता है जो सामग्री पर प्रकाश पड़ने पर उत्पन्न होता है। शोधकर्ताओं ने नमूनों पर कोई बाहरी बैटरी या विद्युत धक्का (इलेक्ट्रिकल पुश) लागू नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार की अदृश्य रोशनी को, जो 45 और 75 गीगाहर्ट्ज़ के बीच की आवृत्तियों पर कंपन करती है, चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने के दौरान सामग्री पर डाला। जैसे ही उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को समायोजित किया, उन्होंने एक विशिष्ट प्रतिक्रिया देखी: प्रकाश के कारण उत्पन्न वोल्टेज में अचानक आया बदलाव।
उन्होंने पाया कि यह एक स्पष्ट, दोहराव वाला पैटर्न था। कुछ सटीक चुंबकीय क्षेत्र सामर्थ्य पर, वोल्टेज तेजी से गिरा, जिससे एक गिरावट (डिप) आई जिसने संकेत दिया कि इलेक्ट्रॉन प्रकाश के साथ तालमेल बिठाकर अपने स्पिन को पलट रहे हैं या रेजोनेंस कर रहे हैं। यह दो अलग-अलग सेटअपों में हुआ: एक जहाँ चुंबकीय क्षेत्र सामग्री के माध्यम से सीधे नीचे की ओर था, और दूसरा जहाँ यह सतह के समानांतर था। दोनों ही मामलों में, वोल्टेज सिग्नल एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से व्यवहार करता था। रेजोनेंट सिग्नल, जो स्पिन फ्लिप का संकेत देता था, हमेशा उस बैकग्राउंड वोल्टेज के विपरीत दिशा में था जो सामान्य रूप से सामग्री पर प्रकाश पड़ने से उत्पन्न होता है। इसके अलावा, जब शोधकर्ताओं ने सामग्री के माध्यम से बहने वाले विद्युत आवेश के प्रकार को सकारात्मक से नकारात्मक में बदला, तो पूरा सिग्नल अपनी दिशा बदल गया। इस उलटफेर ने पुष्टि की कि यह प्रभाव सीधे तौर पर इलेक्ट्रॉनों की प्रकृति से जुड़ा हुआ था।
वैज्ञानिकों ने वोल्टेज में कई अलग-अलग गिरावटें (डिप्स) देखीं, जो यह सुझाव देती हैं कि इलेक्ट्रॉन एक से अधिक तरीकों से रेजोनेंस कर रहे हैं। उन्होंने यह भी मापा कि इन स्पिन्स को पलटने के बाद उन्हें वापस शांत होने या स्थिर होने में कितना समय लगता है, और पाया कि यह प्रक्रिया अविश्वसनीय रूप से तेज़ है, कुछ दस पिकोसेकंड के भीतर। यह गति उन लोगों के लिए एक महत्वपूर्ण जानकारी है जो अल्ट्रा-फास्ट कंप्यूटिंग के लिए इलेक्ट्रॉन स्पिन का उपयोग करने की उम्मीद रखते हैं। टीम ने इस कारण को समझाने के लिए एक विस्तृत सिद्धांत भी विकसित किया कि यह वोल्टेज क्यों उत्पन्न हुआ। उन्होंने प्रस्तावित किया कि जब प्रकाश इलेक्ट्रॉनों से टकराता है, तो यह उन्हें एक विशिष्ट संरेखण (अलाइनमेंट) में धकेलता है। जैसे ही ये संरेखित इलेक्ट्रॉन सामग्री की खामियों से टकराते हैं, वे इस तरह से बिखर जाते हैं जिससे आवेश का एक शुद्ध प्रवाह (नेट फ्लो) बनता है, जो वोल्टेज उत्पन्न करता है। यह सिद्धांत समझाता है कि स्पिन-फ्लिप सिग्नल सामान्य सिग्नल के विपरीत क्यों होता है: जब इलेक्ट्रॉन अपना स्पिन पलट रहे होते हैं, तब प्रकाश उन्हें सामान्य रूप से ऊर्जा अवशोषित करने की तुलना में एक अलग संरेखण में धकेलता है।
यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि इलेक्ट्रॉन स्पिन रेजोनेंस को बिना किसी बाहरी बिजली के, सूक्ष्म उपकरणों में बिना बड़े, संवेदनशील चुंबकीय डिटेक्टरों के विद्युत रूप से पहचाना जा सकता है। यह विधि ग्राफीन और उन जटिल संरचनाओं में विश्वसनीय रूप से काम करती है जहाँ ग्राफीन को अन्य सामग्रियों के साथ जोड़ा जाता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक स्पिन-फ्लिप संकेतों की पहचान की और उनकी गति को मापा, उन्होंने उल्लेख किया कि उनके द्वारा देखे गए कई अलग-अलग रेजोनेंस का सटीक कारण अभी भी एक पहेली बना हुआ है। संकेत सुसंगत और पुनरुत्पादनीय (रिप्रोड्यूसिबल) थे, लेकिन अतिरिक्त चोटियों (पीक्स) का विशिष्ट सूक्ष्म कारण अभी भी स्पष्ट नहीं है और इसके लिए आगे के अध्ययन की आवश्यकता है। फिर भी, यह कार्य द्वि-आयामी (टू-डायमेंशनल) सामग्रियों के चुंबकीय गुणों की जांच करने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण स्थापित करता है, जो उन सूक्ष्म उपकरणों की समझ के लिए एक मार्ग खोलता है जो एक दिन हमारी दुनिया को शक्ति प्रदान कर सकते हैं।
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