Harnessing the skyrmion Hall effect for low-power skyrmion transport in a tubular synthetic antiferromagnet

तेज और अधिक कुशल कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से कुछ विशेष सामग्रियों के भीतर पाए जाने वाले सूक्ष्म चुंबकीय भंवरों की ओर देख रहे हैं, जिन्हें स्काईर्मियन (skyrmions) कहा जाता है। ये भंवर केवल यादृच्छिक चुंबकीय पैटर्न नहीं हैं; ये स्थिर, टोपोलॉजिकल रूप से संरक्षित संरचनाएं हैं जो सूचना ले जा सकती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक धागे पर मनका। क्योंकि इन्हें बहुत कम विद्युत धाराओं द्वारा चलाया जा सकता है, इसलिए इनमें आज की तकनीक की तुलना में बहुत कम ऊर्जा खपत करने वाले मेमोरी डिवाइस बनाने की बड़ी क्षमता है। हालाँकि, एक महत्वपूर्ण बाधा है। जब वैज्ञानिक इन स्काईर्मियन्स को बिजली का उपयोग करके एक ट्रैक पर धकेलने की कोशिश करते हैं, तो वे बगल की ओर भटक जाते हैं, अपने रास्ते से हट जाते हैं और ट्रैक के किनारों से टकरा जाते हैं। यह घटना, जिसे स्काईर्मियन हॉल प्रभाव (skyrmion Hall effect) कहा जाता है, पारंपरिक रूप से एक दोष के रूप में देखी जाती है जो इन सूचना वाहकों के यात्रा करने की गति और दूरी को सीमित करती है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने स्काईर्मियन्स को विशेष वातावरण, जैसे कि ट्यूब या सिंथेटिक एंटीफेरोमैग्नेट्स में रखने की संभावनाओं की खोज की है, जहाँ इस बगल की ओर होने वाले बहाव को रद्द किया जा सके या नियंत्रित किया जा सके। लेकिन इवान पी. मिरांडा और सहयोगियों द्वारा किए गए एक नए अध्ययन से पता चलता है कि समाधान इस बगल की गति को दबाने में नहीं, बल्कि इसका उपयोग करने में है। इन चुंबकीय भंवरों के एक जोड़े को एक नलीनुमा संरचना के भीतर रखने और विद्युत धारा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे इस अवांछित पार्श्व बहाव को एक उपयोगी आंतरिक तंत्र में बदल सकते हैं। यह दृष्टिकोण स्काईर्मियन्स को पहले की तुलना में काफी कम ऊर्जा हानि के साथ लंबी दूरी तय करने की अनुमति देता है, जिससे यह ज्ञात समस्या एक कार्यात्मक लाभ में बदल जाती है जो कम-शक्ति वाले कंप्यूटिंग के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट सेटअप पर ध्यान केंद्रित किया: दो चुंबकीय परतें जो एक ट्यूब बनाने के लिए एक दूसरे के ऊपर रखी गई हैं, जिसमें प्रत्येक परत में एक स्काईर्मियन है। ये दोनों स्काईर्मियन आपस में जुड़े हुए हैं, लेकिन अपने चुंबकीय गुणों के कारण, जब उन्हें विद्युत धारा द्वारा धकेला जाता है, तो वे स्वाभाविक रूप से विपरीत दिशाओं में जाने की प्रवृत्ति रखते हैं। एक खुले स्थान में, इससे वे एक-दूसरे से दूर उड़ जाएंगे और उनके द्वारा ले जाई जाने वाली सूचना को नष्ट कर देंगे। हालाँकि, क्योंकि वे एक ट्यूब के भीतर सीमित हैं, इसलिए उनकी पार्श्व गति को सिलेंडर की परिधि के चारों ओर घूमना पड़ता है। यह दोनों स्काईर्मियन्स के बीच की दूरी को एक अनंत बढ़ सकने वाली दूरी के बजाय, एक आवधिक समन्वय (periodic coordinate) में बदल देता है, जो घड़ी के चेहरे पर एक कोण की तरह है।

उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, टीम ने विभिन्न करंट प्रोटोकॉल के तहत इन स्कीर्मियन जोड़ों के व्यवहार का मॉडल तैयार किया। उन्होंने पाया कि विद्युत धारा और स्काईर्मियन्स की गति के बीच का संबंध एक सरल, सीधी रेखा नहीं है। इसके बजाय, पार्श्व गति एक जटिल, गैर-रैखिक (nonlinear) संपर्क बनाती है। इस गैर-रैखिकता का अर्थ है कि एक विशिष्ट लक्षित गति के लिए, विद्युत धारा लागू करने के कई अलग-अलग तरीके हैं। कुछ तरीके एक स्थिर, निरंतर प्रवाह का उपयोग करते हैं, जबकि अन्य एक ऐसी धारा का उपयोग करते हैं जो समय के साथ बदलती रहती है, जो एक सटीक लय में तेज और धीमी होती है।

अध्ययन का मुख्य केंद्र यह था कि कौन सा तरीका सबसे कम ऊर्जा का उपयोग करता है। भौतिकी में, ऊष्मा के रूप में खोई जाने वाली ऊर्जा, जिसे जूल हीटिंग (Joule heating) कहा जाता है, सीधे विद्युत धारा के वर्ग से संबंधित होती है। इसलिए, लक्ष्य एक ऐसा करंट पैटर्न खोजना है जो वांछित गति प्राप्त करते हुए इन नुकसानों को न्यूनतम करे। शोधकर्ताओं ने पाया कि कई मामलों में, एक निरंतर धारा सबसे कुशल विकल्प नहीं है। इसके बजाय, एक सावधानीपूर्वक समयबद्ध, बदलती हुई धारा स्काईर्मियन जोड़े को एक चक्र के माध्यम से मार्गदर्शन कर सकती है जहाँ वे ट्यूब के नीचे यात्रा करते समय एक-दूसरे के करीब आते हैं और फिर दूर होते हैं। यह आंतरिक गति सिस्टम को निरंतर धक्के से जुड़ी ऊर्जा लागतों से बचने की अनुमति देती है।

सिमुलेशन ने संचालन के दो अलग-अलग मोड प्रकट किए। पहले मोड में, जिसे "लॉक्ड" (locked) शासन कहा जाता है, स्काईर्मियन्स एक-दूसरे से एक निश्चित दूरी पर रहते हैं, और एक कठोर इकाई के रूप में एक साथ चलते हैं। इस अवस्था में, उन्हें चलाने के लिए एक निरंतर धारा वास्तव में सबसे कुशल तरीका है। हालाँकि, दूसरे मोड में, जिसे "वाइंडिंग" (winding) शासन कहा जाता है, स्काईर्मियन्स एक-दूसरे के सापेक्ष ट्यूब के चारों ओर लगातार घूमते हैं। यहाँ, शोधकर्ताओं ने पाया कि एक समय-निर्भर (time-dependent) करंट प्रोटोकॉल एक निरंतर धारा की तुलना में काफी कम शक्ति के साथ समान औसत गति प्राप्त कर सकता है। कुछ परिदृश्यों में, इस इष्टतम, बदलती हुई धारा ने ऊर्जा की खपत को सामग्री के डैम्पिंग गुणों से संबंधित कारक द्वारा कम कर दिया, जिससे परिवहन अनकप्ल्ड (uncoupled) स्काईर्मियन्स या सरल निरंतर चालन की तुलना में कहीं अधिक कुशल हो गया।

इस खोज में एक महत्वपूर्ण कारक दोनों चुंबकीय परतों के बीच जुड़ाव की ताकत थी। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि दोनों परतों के बीच एक सीमित जुड़ाव आवश्यक है। इसके बिना, स्काईर्मियन्स स्वतंत्र रूप से व्यवहार करेंगे, और इस आंतरिक समन्वय के लाभ समाप्त हो जाएंगे। इस जुड़ाव के साथ-साथ अन्य भौतिक गुणों को ट्यून करके, सिस्टम को ऐसी स्थिति में बदला जा सकता है जहाँ स्काईर्मियन जोड़े का आंतरिक रोटेशन परिवहन के लिए एक कार्यात्मक चैनल बन जाता है। यह निष्कर्ष इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है कि स्कीर्मियन हॉल प्रभाव केवल एक बाधा है जिसे समाप्त किया जाना चाहिए। इसके बजाय, अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि इन चुंबकीय बनावटों को एक नलीनुमा ज्यामिति में रखकर और अनुकूल नियंत्रण लागू करके, पार्श्व बहाव को ऊर्जा खपत को कम करने के लिए एक संसाधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

यह कार्य अगली पीढ़ी के स्पिंट्रोनिक उपकरणों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि इन चुंबकीय संरचनाओं की प्राकृतिक प्रवृत्तियों के विरुद्ध लड़ने के बजाय, इंजीनियर ऐसे सिस्टम डिजाइन कर सकते हैं जो उनके साथ मिलकर काम करें। स्कीर्मियन जोड़ों के बीच परस्पर क्रिया से उत्पन्न आंतरिक डिग्री ऑफ फ्रीडम का उपयोग करके, सूचना को उस स्तर की दक्षता के साथ ले जाना संभव है जो पहले पहुंच से बाहर था। अध्ययन पुष्टि करता है कि सटीक विद्युत धारा नियंत्रण के माध्यम से, स्कीर्मियन हॉल प्रभाव को अस्थिरता के स्रोत से बदलकर ऊर्जा हानि को कम करने वाले एक तंत्र में बदला जा सकता है, जो कम-शक्ति वाले, उच्च-गति वाले मेमोरी और लॉजिक डिवाइस बनाने के लिए एक नया सिद्धांत पेश करता है।