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Laser induced ultrafast Co 3d and Ho 4f spin dynamics in CoHo ferrimagnetic alloys

यह अध्ययन प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि करता है कि फेरिमैग्नेटिक Co $_{80}$ Ho $_{20}$ मिश्र धातुओं में, होल्मियम 4f स्पिन, कोबाल्ट 3d स्पिन (0.22 ps) की तुलना में काफी धीमी गति से (0.87 ps) विचुंबकीकृत (demagnetize) होते हैं, जिससे डोमेन-वॉल-मध्यस्थ ऑल-ऑप्टिकल टॉगल स्विचिंग के लिए प्रस्तावित शर्तों की पुष्टि होती है।

मूल लेखक: Deeksha Gupta, Boonthum Kunyangyuen, Matthias Riepp, Karsten Holldack, Radu-Marius Abrudan, Torsten Kachel, Niko Pontius, Christian Schüßler-Langeheine, Mircea Vomir, Michel Hehn, Nicolas Bergeard

प्रकाशित 2026-08-28

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Deeksha Gupta, Boonthum Kunyangyuen, Matthias Riepp, Karsten Holldack, Radu-Marius Abrudan, Torsten Kachel, Niko Pontius, Christian Schüßler-Langeheine, Mircea Vomir, Michel Hehn, Nicolas Bergeard

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

चुंबकत्व को अक्सर एक स्थिर गुण के रूप में देखा जाता है, जैसे लोहे जैसी सामग्रियों का एक स्थायी गुण जो उन्हें रेफ्रिजरेटर के दरवाजे से चिपके रहने देता है। हालाँकि, जब वैज्ञानिक कुछ चुंबकीय सामग्रियों पर लेजर प्रकाश की एक अत्यंत तीव्र पल्स (आवेग) डालते हैं, तो वे एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में इस व्यवस्था को बाधित कर सकते हैं। यह क्षेत्र, जिसे 'फेमटोमैग्नेटिज्म' (femtomagnetism) कहा जाता है, इस बात की खोज करता है कि कैसे चुंबकीय स्पिन—परमाणुओं के नन्हे आंतरिक कंपास—ऊर्जा के अचानक विस्फोटों के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं। दो अलग-अलग प्रकार की चुंबकीय तत्वों: संक्रमण धातुओं (transition metals) और दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं (rare-earth metals) से बनी मिश्र धातुओं में यह व्यवहार और भी जटिल हो जाता है। इन सामग्रियों में, दोनों प्रकार के परमाणु आपस में जुड़े होते हैं लेकिन विपरीत दिशाओं में संकेत देते हैं, जिससे एक नाजुक संतुलन बनता है। शोधकर्ता लंबे समय से यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि कैसे एक एकल, अत्यंत तीव्र लेजर पल्स का उपयोग करके इन सामग्रियों की चुंबकीय दिशा को बदला जा सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो कंप्यूटर में डेटा स्टोर करने के तरीके में क्रांति ला सकती है। इस दिशा बदलने की प्रक्रिया की कुंजी इस समय निर्धारण (timing) में निहित प्रतीत होती है: यदि एक प्रकार का परमाणु दूसरे की तुलना में बहुत तेज़ी से अपनी चुंबकीय शक्ति खो देता है, तो यह पूरे पदार्थ की दिशा बदलने के लिए अवसर का एक झरोखा बना देता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने कोबाल्ट और होल्मियम से बनी एक मिश्र धातु का उपयोग करके इस समय निर्धारण के बारे में एक विशिष्ट सिद्धांत का परीक्षण करने के उद्देश्य से काम शुरू किया। जबकि पिछले अध्ययनों में डिस्प्रोसियमम युक्त समान सामग्रियों का अध्ययन किया गया था, होल्मियम का अत्यंत तीव्र व्यवहार एक रहस्य बना हुआ था। वैज्ञानिकों को यह जानने की आवश्यकता थी कि क्या होल्मियम इतना धीमा प्रतिक्रिया करता है कि प्रस्तावित स्विचिंग तंत्र को काम करने के लिए पर्याप्त समय मिल सके। यह पता लगाने के लिए, उन्होंने कोबाल्ट-होल्मियम मिश्र धातु की पतली परतें बनाईं और उन्हें तीव्र, फेमटोसेकंड लेजर पल्स के अधीन किया। फिर उन्होंने कोबाल्ट और होल्मियम परमाणुओं के चुंबकीय स्पिन को अलग-अलग देखने के लिए दो अलग-अलग उच्च-गति वाली माप तकनीकों का उपयोग किया। एक विधि ने कोबाल्ट परमाणुओं को ट्रैक किया, जबकि दूसरी, अधिक विशिष्ट तकनीक ने उन्हें सीधे होल्मियम परमाणुओं को देखने की अनुमति दी।

परिणामों ने खुलासा किया कि दोनों तत्वों ने लेजर के प्रति कैसे अलग तरह से प्रतिक्रिया दी। कोबाल्ट परमाणुओं ने लगभग तुरंत प्रतिक्रिया दी, और लगभग 0.22 पिकोसेकंड में अपना चुंबकीय क्रम खो दिया। यह एक अविश्वसनीय रूप से कम अवधि है, एक सेकंड का एक ट्रिलियनवाँ हिस्सा, लेकिन यह कोबाल्ट के लिए अपनी चुंबकीय दिशा को लगभग तुरंत "भूल जाने" के लिए पर्याप्त तेज़ था। इसके विपरीत, होल्मियम परमाणुओं ने अपने चुंबकीय संरेखण को बहुत लंबे समय तक बनाए रखा, और विचुंबकीकरण (demagnetize) होने में लगभग 0.87 पिकोसेकंड का समय लिया। इसका अर्थ यह है कि लेजर के प्रहार के बाद एक संक्षिप्त क्षण के लिए, कोबाल्ट पूरी तरह से अव्यवस्थित था जबकि होल्मियम अभी भी अपनी चुंबकीय संरचना को बनाए रखने की कोशिश कर रहा था। समय का यह अंतराल ठीक वही था जिसकी शोधकर्ता तलाश कर रहे थे। यह इस विचार का समर्थन करता है कि धीमे होल्मियम परमाणु अपने कोणीय संवेग (angular momentum) को तेज़, अव्यवस्थित कोबाल्ट परमाणुओं में स्थानांतरित कर सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से पूरे पदार्थ को अपना चुंबकीय ध्रुव बदलने के लिए प्रेरित किया जा सकता है।

इस अध्ययन ने यह भी पुष्टि की कि यह व्यवहार अन्य मिश्र धातुओं, जैसे कि डिस्प्रोसियमम युक्त मिश्र धातुओं में देखे गए व्यवहार के अनुरूप है, लेकिन टेरबियम युक्त मिश्र धातुओं से भिन्न है। टेरबियम के मामले में, परमाणु बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे इस विशिष्ट प्रकार की स्विचिंग के लिए आवश्यक समय का झरोखा बंद हो जाता है। कोबाल्ट और होल्मियम स्पिन की सटीक गति को मापकर, शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों में 'ऑल-ऑप्टिकल स्विचिंग' के मॉडल को मान्य करने के लिए आवश्यक लुप्त प्राय प्रयोगात्मक साक्ष्य प्रदान किए। उनका कार्य दिखाता है कि दोनों प्रकार के परमाणुओं के बीच अद्वितीय गति का अंतर केवल एक जिज्ञासा नहीं है, बल्कि प्रकाश के साथ चुंबकत्व को नियंत्रित करने के एक नए तरीके के लिए एक मौलिक आवश्यकता है। यह खोज यह निर्धारित करने में मदद करती है कि भविष्य की उच्च-गति डेटा भंडारण प्रौद्योगिकियों के लिए कौन सी सामग्रियां उपयुक्त हैं, जिससे यह क्षेत्र यह समझने के करीब पहुँच रहा है कि चुंबकीय मिश्र धातुओं को प्रकाश की एक एकल चमक के साथ कैसे इंजीनियर किया जा सकता है।

तकनीकी सारांश: CoHo फेरिमैग्नेटिक मिश्र धातुओं में लेजर प्रेरित अल्ट्राफास्ट Co 3d और Ho 4f स्पिन डायनेमिक्स

समस्या और संदर्भ
ट्रांजिशन मेटल (TM) / रेयर-अर्थ (RE) फेरिमैग्नेटिक मिश्र धातुएं फेम्टोसेकंड लेजर पल्स द्वारा संचालित ऑल-ऑप्टिकल हेलिसिटी-इंडिपेंडेंट स्विचिंग (AO-HIS) को समझने के लिए महत्वपूर्ण मॉडल सिस्टम हैं। हालिया अध्ययनों ने CoDy और CoHo मिश्र धातुओं, साथ ही Co/Gd अल्ट्राथिन द्विपरतों (bilayers) में एक विशिष्ट टॉगल स्विचिंग तंत्र की पहचान की है, जो डोमेन-वॉल मोशन और कोलेसेंस (coalescence) पर निर्भर करता है। यह तंत्र तब होने का अनुमान लगाया गया है जब Co सबलैटिस पूरी तरह से डीमैग्नेटाइज हो जाता है जबकि RE सबलैटिस का विशिष्ट डीमैग्नेटाइजेशन समय ( $\tau_{RE}$ ), Co सबलैटिस ( $\tau_{Co}$ ) की तुलना में काफी लंबा होता है। यह टेम्पोरल सेपरेशन (temporal separation) Co के कोणीय संवेग (angular momentum) के नुकसान को कम करते हुए, RE से Co सबलैटिस में कोणीय संवेग के हस्तांतरण की अनुमति देता है।

जबकि एलिमेंट-रिजॉल्व्ड अध्ययनों ने स्थापित किया है कि CoDy मिश्र धातुओं में $\tau_{Co} \approx 0.2$ ps और $\tau_{Dy} \approx 0.6$ ps है, और सैद्धांतिक भविष्यवाणियां सुझाव देती हैं कि Ho भी समान रूप से धीमे रिस्पॉन्स को प्रदर्शित करेगा, CoHo मिश्र धातुओं में Ho के अल्ट्राफास्ट 4f स्पिन डायनेमिक्स का अध्ययन अभी तक प्रयोगात्मक रूप से अनएक्सप्लोर्ड (unexplored) रहा है। इसके अलावा, CoTb मिश्र धातुओं में AO-HIS की अनुपस्थिति को संभावित रूप से छोटे $\tau_{Tb}$ के कारण माना गया है, लेकिन प्रस्तावित रिवर्सल मॉडल को मान्य करने के लिए CoHo के प्रत्यक्ष तुलनात्मक डेटा का अभाव था।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने एक $\text{Si}_3\text{N}_4$ मेम्ब्रेन पर जमा की गई एक फेरिमैग्नेटिक $\text{Co}_{80}\text{Ho}_{20}$ अमोर्फस मिश्र धातु का अध्ययन किया, जिसमें हीट सिंक के रूप में कार्य करने और ऑक्सीकरण को रोकने के लिए एक मल्टीलेयर संरचना डिज़ाइन की गई थी। इस अध्ययन में रूम टेम्परेचर (प्रभावी वर्किंग टेम्परेचर $\approx 300$ K) पर दो पूरक तकनीकों का उपयोग किया गया:

टाइम-रिजॉल्व्ड एक्स-रे मैग्नेटिक सर्कुलर डिक्रोइज्म (TR-XMCD): इसे BESSY II सिनक्रोट्रॉन सुविधा पर किया गया, जिसने एलिमेंट-स्पेसिफिक रेजोल्यूशन प्रदान किया। टीम ने पम्प-प्रोब डिले (pump-probe delay) के फलन (function) के रूप में Co $L_3$ और Ho $M_5$ एब्जॉर्प्शन एज पर ट्यून किए गए 100 fs सर्कुलरली पोलराइज्ड एक्स-रे पल्स के ट्रांसमिशन की निगरानी की। लेजर-प्रेरित हीटिंग की भरपाई के लिए नमूने को 200 K के क्रायोस्टेट तापमान पर रखा गया था, ताकि प्रभावी तापमान रूम टेम्परेचर के करीब बना रहे।
टाइम-रिजॉल्व्ड मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर इफेक्ट (TR-MOKE): परिवेशी वायु (ambient air) में 1030 nm पम्प और 515 nm प्रोब के साथ संचालित, यह विधि मुख्य रूप से Co सबलैटिस डायनेमिक्स की जांच करती है, जो Co-विशिष्ट TR-XMCD डेटा के लिए क्रॉस-वैलिडेशन के रूप में कार्य करती है।

मुख्य परिणाम
अध्ययन ने दोनों सबलैटिस के लिए विशिष्ट डीमैग्नेटाइजेशन समय को सफलतापूर्वक निकाला:

Co सबलैटिस: TR-MOKE और Co $L_3$ एज पर TR-XMCD दोनों ने एक तेज़ मैग्नेटाइजेशन क्वेंचिंग दिखाई, जिसका विशिष्ट समय $\tau_{Co} = 0.22 \pm 0.01$ ps है। डीमैग्नेटाइजेशन आयाम (amplitude) लगभग 25% था, जिसके बाद तीव्र रिकवरी हुई।
Ho सबलैटिस: Ho $M_5$ एज पर TR-XMCD ने काफी धीमे रिस्पॉन्स को दिखाया। Ho मैग्नेटाइजेशन ने लगभग 60% का अधिकतम डीमैग्नेटाइजेशन आयाम प्रदर्शित किया, जो कई पिकोसेकंड में प्राप्त हुआ, जिसका विशिष्ट डीमैग्नेटाइजेशन समय $\tau_{Ho} = 0.87 \pm 0.15$ ps है।
डायनेमिक्स तुलना: डेटा एक स्पष्ट टेम्पोरल सेपरेशन की पुष्टि करता है जहाँ Co सबलैटिस 3 ps तक लगभग पूरी तरह से रिकवर हो जाता है, जबकि Ho सबलैटिस अभी भी डीमैग्नेटाइजेशन की प्रक्रिया में होता है। यह व्यवहार CoDy मिश्र धातुओं में देखे गए अवलोकनों को दर्शाता है, लेकिन CoTb मिश्र धातुओं में रिपोर्ट किए गए तेज़ डायनेमिक्स के विपरीत है।

महत्व और दावे
इस कार्य का प्राथमिक योगदान CoHo मिश्र धातुओं में अल्ट्राफास्ट स्पिन डायनेमिक्स का पहला प्रयोगात्मक सत्यापन है। परिणाम यह प्रदर्शित करते हैं कि $\tau_{Ho}$ , $\tau_{Co}$ की तुलना में काफी लंबा है, जो डोमेन-वॉल-मीडिएटेड AO-HIS के घटित होने के लिए कुन्यांगयुएन एट अल. (Kunyangyuen et al.) द्वारा प्रस्तावित विशिष्ट शर्त को पूरा करता है।

लेख दावा करता है कि ये निष्कर्ष इस परिकल्पना का समर्थन करते हैं कि TM और RE सबलैटिस के बीच विशिष्ट स्पिन डायनेमिक्स इस विशिष्ट स्विचिंग तंत्र के लिए एक पूर्व शर्त है। CoTb में Tb की तुलना में देखी गई धीमी डायनेमिक्स, CoHo और CoDy में AO-HIS देखे जाने और CoTb में न देखे जाने का एक संभावित स्पष्टीकरण प्रदान करती है। यह कार्य Co-RE मिश्र धातुओं में एलिमेंट-रिजॉल्व्ड अल्ट्राफास्ट डायनेमिक्स के सीमित प्रयोगात्मक डेटाबेस में योगदान देता है, यह पुष्टि करता है कि Co सबलैटिस का डीमैग्नेटाइजेशन समय विभिन्न रेयर-अर्थ तत्वों के माध्यम से अपेक्षाकृत स्थिर रहता है, जबकि RE डायनेमिक्स काफी भिन्न होते हैं।

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