Laser-Induced Rashba Spin-Orbit Torques in Multiferroic Semiconductor (Ge,Mn)Te

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, भारी विद्युत धाराओं का उपयोग किए बिना चुंबकत्व को नियंत्रित करने की क्षमता एक अत्यंत महत्वपूर्ण लक्ष्य (holy grail) है। दशकों से, वैज्ञानिक चुंबकीय बिट्स को पलटने के लिए बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने पर निर्भर रहे हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो ऊष्मा उत्पन्न करती है और काफी शक्ति (power) की खपत करती है। एक अधिक कुशल मार्ग 'स्पिन-ऑरबिट कपलिंग' (spin-orbit coupling) में निहित है, जो एक क्वांटम यांत्रिक प्रभाव है जहाँ क्रिस्टल लैटिस के माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन की गति उसके अपने स्पिन पर एक चुंबकीय बल उत्पन्न करती है। कुछ सामग्रियों में, यह बल इतना शक्तिशाली होता है कि यह एक टॉर्क (torque) की तरह कार्य कर सकता है, जो पूरी सामग्री की चुंबकीय दिशा को घुमा देता है। जब इस प्रभाव को फेरोइलेक्ट्रिसिटी (ferroelectricity) के साथ जोड़ा जाता है—जो एक सामग्री की स्थायी विद्युत ध्रुवीकरण (electric polarization) बनाए रखने की क्षमता है जिसे बदला जा सके—तो परिणाम एक अनूठा मंच होता है जहाँ बिजली, चुंबकत्व और स्वयं क्रिस्टल की संरचना गहराई से आपस में जुड़ी होती है। केवल बिजली के बजाय प्रकाश के माध्यम से इन संबंधों को नियंत्रित करने का तरीका समझना, तेज़, ठंडे और अधिक शक्तिशाली कंप्यूटिंग उपकरणों की ओर ले जा सकता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में अपना ध्यान एक विशिष्ट सामग्री की ओर लगाया, जो जर्मेनियम, मैंगनीज और टेल्यूरियम से बना एक अर्धचालक (semiconductor) है, यह देखने के लिए कि क्या वे प्रकाश की एक चमक का उपयोग करके इसकी चुंबकीय अवस्था को नियंत्रित कर सकते हैं। यह सामग्री विशेष है क्योंकि इसमें मजबूत स्पिन-ऑबिट कपलिंग बनाने के लिए आवश्यक संरचनात्मक विरूपण (structural distortion) स्वाभाविक रूप से मौजूद है, और मैंगनीज परमाणुओं का समावेश इसे चुंबकीय गुण प्रदान करता है। वैज्ञानिक यह जानना चाहते थे कि क्या एक फेम्टोसेकंड लेजर पल्स—प्रकाश का एक विस्फोट जो एक क्वाड्रिलियनवें हिस्से के सेकंड तक रहता है—इलेक्ट्रॉनों के घूमने और परस्पर क्रिया करने के तरीके को बदलकर सामग्री के चुंबकत्व में परिवर्तन ला सकता है। उन्होंने यह देखने के लिए अध्ययन किया कि लेजर के नमूने से टकराने के तुरंत बाद ट्रिलियनवें सेकंड में क्या होता है, यह देखते हुए कि क्या प्रकाश ने चुंबकीय क्रम को घुमाया है।

एक परिष्कृत सेटअप का उपयोग करते हुए जहाँ एक मजबूत पंप लेजर पल्स सामग्री से टकराता है और एक कमजोर प्रोब पल्स परिणाम को मापती है, टीम ने दो अलग-अलग चुंबकीय प्रतिक्रियाओं को देखा। पहला एक तीव्र, लयबद्ध डगमगाहट (wobble) थी, जिसे प्रीसेशन (precession) कहा जाता है। यह गति इसलिए शुरू हुई क्योंकि लेजर पल्स ने अस्थायी रूप से सामग्री में 'होल्स' (holes)—जहाँ इलेक्ट्रॉन गायब होते हैं—की संख्या बढ़ा दी। होल्स के इस उछाल ने क्रिस्टल के भीतर विशिष्ट ऊर्जा अवस्थाओं की आबादी को बदल दिया, जिससे प्रभावी रूप से उस दिशा में बदलाव आया जिसे चुंबक "पसंद" करता है। चुंबकत्व फिर उस नए पसंदीदा दिशा के चारों ओर झूमने लगा, ठीक वैसे ही जैसे कंपास की सुई तब झूमती है जब उसके आसपास का चुंबकीय क्षेत्र अचानक बदल दिया जाता है। यह व्यवहार अन्य चुंबकीय अर्धचालकों में देखे गए व्यवहार के समान था, जो इस बात की पुष्टि करता है कि प्रकाश वास्तव में एक ऐसा टॉर्क उत्पन्न कर सकता है जो चुंबकत्व को हिलाने के लिए पर्याप्त है।

हालाँकि, शोधकर्ताओं ने एक दूसरा, अधिक आश्चर्यजनक प्रभाव पाया जो केवल तभी हुआ जब लेजर पल्स एक विशिष्ट ऊर्जा सीमा (threshold) को पार करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली था। इस सीमा के ऊपर, सामग्री का चुंबकीय व्यवहार इस तरह से बदल गया जिसे केवल अतिरिक्त होल्स द्वारा समझाया नहीं जा सकता था। इसके बजाय, तीव्र प्रकाश ने भौतिक रूप से क्रिस्टल लैटिस के भीतर परमाणुओं को धकेल दिया, जिससे जर्मेनियम और टेल्यूरियम की परतों के बीच की दूरी में मामूली बदलाव आया। चूँकि यही दूरी सामग्री के विद्युत ध्रुवीकरण और इसके मजबूत स्पिन-ऑबिट कपलिंग को बनाती है, इसलिए एक सूक्ष्म बदलाव ने भी इलेक्ट्रॉनों को नियंत्रित करने वाले मौलिक नियमों को बदल दिया। इस संरचनात्मक परिवर्तन ने एक शक्तिशाली टॉर्क के रूप में कार्य किया, जिसने चुंबकीय कोएर्सिव फील्ड (coercive field)—चुंबक को पलटने के लिए आवश्यक बल की मात्रा—को महत्वपूर्ण रूप से बदल दिया। यह प्रभाव इस मल्टीफेरोइक सामग्री के लिए अद्वितीय था और पहले कभी नहीं देखा गया था, जो यह सुझाव देता है कि प्रकाश सीधे फेरोइलेक्ट्रिक संरचना को नियंत्रित करके चुंबकत्व को नियंत्रित कर रहा था।

टीम ने अन्य संभावनाओं, जैसे कि लेजर द्वारा नमूने को केवल गर्म करना या एक अस्थायी बैकग्राउंड सिग्नल बनाना जिसका चुंबकत्व से कोई लेना-देना नहीं है, को सावधानीपूर्वक खारिज कर दिया। उन्होंने यह पुष्टि की कि चुंबकीय परिवर्तन वास्तविक और विशिष्ट थे, यह मापकर कि सामग्री विभिन्न चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है और विशिष्ट संकेतों को अलग करके जो चुंबकीय क्षेत्र की दिशा उलटने पर उलट जाते थे। उन्होंने यह भी सत्यापित किया कि सामग्री लगभग एक नैनोसेकंड की अवधि में अतिरिक्त होल्स के पुनर्संयोजन (recombine) के बाद अपने मूल रूप में वापस आ गई, लेकिन तीव्र पल्स द्वारा प्रेरित संरचनात्मक परिवर्तनों ने एक नई चुंबकीय अवस्था बनाई जो प्रारंभिक लेजर पल्स की तुलना में अधिक समय तक बनी रही। परिणाम दर्शाते हैं कि इस विशिष्ट सामग्री में, प्रकाश केवल गर्मी या इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए नहीं है; यह भौतिक रूप से क्रिस्टल के आंतरिक विद्युत परिदृश्य को नया आकार दे सकता है ताकि चुंबक को घुमाया जा सके।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि इस सामग्री में क्रिस्टल संरचना, विद्युत ध्रुवीकरण और चुंबकत्व के बीच का तालमेल इतना गहरा है कि प्रकाश का एक विस्फोट एक साथ तीनों को नियंत्रित कर सकता है। जबकि पहला प्रभाव, जो होल सांद्रता (hole concentration) में परिवर्तन से संचालित होता है, समान सामग्रियों में एक ज्ञात घटना है, दूसरा प्रभाव, जो लेजर-प्रेरित परमाणु लैटिस के बदलाव से संचालित होता है, इस मल्टीफेरोइक अर्धचालक की एक अनूठी क्षमता प्रतीत होता है। निष्कर्ष बताते हैं कि लेजर पल्स की तीव्रता को ट्यून करके, विभिन्न तंत्रों के बीच स्विच करना संभव है। यह ऑल-ऑप्टिकल स्पिंट्रोनिक्स (all-optical spintronics) के लिए एक नया मार्ग खोलता है, जहाँ चुंबकीय जानकारी को अत्यधिक गति और दक्षता के साथ प्रकाश तरंगों का उपयोग करके लिखा और प्रबंधित किया जा सकता है, जो संभावित रूप से अगली पीढ़ी के डेटा स्टोरेज और प्रोसेसिंग प्रौद्योगिकियों की ओर ले जा सकता है जो वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की ऊष्मा और शक्ति सीमाओं के बिना संचालित होते हैं।