Interfacial Spin-to-Charge Conversion in Sputtered MoTe2 Heterostructures Probed by Spin Pumping and Spin-Torque Ferromagnetic Resonance

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, सूचना के प्रवाह को नियंत्रित करने की क्षमता सर्वोपरि है। दशकों से, यह तारों और चिप्स के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के भौतिक प्रवाह, यानी विद्युत आवेश को स्थानांतरित करके किया जाता रहा है। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इलेक्ट्रॉन के एक अलग गुण का उपयोग करके अधिक कुशल विधि खोजने का प्रयास किया है: इसका स्पिन (spin)। आप स्पिन को एक सूक्ष्म चुंबकीय अभिविन्यास के रूप में समझ सकते हैं, जैसे कि एक छोटा सा आंतरिक चुंबकीय सुई जो ऊपर या नीचे की ओर इशारा करती है। स्पिंट्रोनिक्स का क्षेत्र इन चुंबकीय अभिविन orientations का उपयोग डेटा को संग्रहीत और संसाधित करने के लिए करने का लक्ष्य रखता है, जो वर्तमान तकनीक की तुलना में तेज़ और बहुत कम ऊर्जा खपत करने वाले उपकरणों की क्षमता प्रदान करता है। इस क्षेत्र में एक बड़ी बाधा आवेश (charge) और स्पिन के बीच का रूपांतरण है। शोधकर्ताओं को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो विद्युत आवेश के प्रवाह को संरेखित स्पिन की धारा में और इसके विपरीत आसानी से बदल सकें। जबकि कुछ भारी धातुओं के बारे में यह जाना जाता है कि वे इसे अच्छी तरह से करते हैं, ट्रांज़िशन मेटल डाइकैल्कोजेनाइड्स (transition metal dichalcogenides) नामक सामग्रियों का एक नया वर्ग एक आशाजनक विकल्प के रूप में उभरा है। ये परतों वाले यौगिक हैं जिनमें अद्वितीय परमाणु संरचनाएं होती हैं जो और भी अधिक दक्षता का वादा करती हैं, लेकिन एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: क्या यह रूपांतरण सामग्री के भीतर गहराई (bulk) में होता है, या यह केवल उस सतह पर होता है जहाँ दो अलग-अलग सामग्रियां आपस में मिलती हैं?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने मोलिब्डेनम डिटेलराइड (molybdenum ditelluride), या MoTe2 नामक एक विशिष्ट परतदार सामग्री को परमॉय (permalloy) नामक एक चुंबकीय धातु के साथ जोड़कर इस रहस्य को सुलझाने के लिए आगे बढ़ी। वे यह निर्धारित करना चाहते थे कि MoTe2 की पूरी मोटाई में स्पिन से आवेश का शक्तिशाली रूपांतरण होता है या यह केवल उस इंटरफ़ेस (interface) तक सीमित एक घटना है जहाँ दोनों सामग्रियां मिलती हैं। उत्तर खोजने के लिए, उन्होंने कुछ नैनोमीटर से लेकर बीस नैनोमीटर तक MoTe2 की परत की मोटाई को बदलते हुए, कई सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए। फिर उन्होंने इन उपकरणों को 'स्पिन पंपिंग' नामक एक तकनीक के माध्यम से परीक्षण किया, जहाँ उन्होंने चुंबकीय परत से MoTe2 में स्पिन की एक धारा इंजेक्ट करने के लिए चुंबकीय अनुनाद (magnetic resonance) का उपयोग किया। यदि रूपांतरण सामग्री के 'बल्क' (bulk) में हो रहा होता, तो परिणामी विद्युत संकेत की शक्ति MoTe2 की परत मोटी होने के साथ बढ़ती जाती, और तब स्थिर हो जाती जब सामग्री पर्याप्त रूप से स्पिन धारा ले जाने के लिए पर्याप्त मोटी हो जाती। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने कुछ अलग देखा। उत्पन्न होने वाले स्पिन-से-आवेश रूपांतरण का विद्युत संकेत लगभग समान रहा, चाहे MoTe2 की परत पतली हो या मोटी। परिवर्तन की इस कमी ने संकेत दिया कि रूपांतरण सामग्री के बल्क पर निर्भर नहीं था, बल्कि यह पूरी तरह से चुंबकीय परत और MoTe2 के बीच की सीमा (boundary) पर हो रहा था।

इस निष्कर्ष की पुष्टि करने और इस संभावना को खारिज करने के लिए कि बल्क सामग्री बहुत अधिक कुशल थी जिसके कारण कोई अंतर नहीं दिख सका, टीम ने 'स्पिन-टॉर्क फेरोमैग्नेटिक रेजोनेंस' (spin-torque ferromagnetic resonance) नामक एक अलग विधि का उपयोग करके प्रयोगों का एक दूसरा सेट किया। इस सेटअप में, उन्होंने चुंबकीय परत को प्रभावित करने के लिए डिवाइस के माध्यम से एक विद्युत धारा भेजी और एक स्पिन धारा उत्पन्न की। उन्होंने समान मोटाई की सीमा में इस प्रक्रिया की दक्षता को मापा। एक बार फिर, परिणामों ने दिखाया कि MoTe-2 की मोटाई पर कोई निर्भरता नहीं थी। आवेश से स्पिन में बदलने की दक्षता स्थिर रही, जिसने इस निष्कर्ष को पुष्ट किया कि प्रभाव इंटरफ़ेस द्वारा संचालित था। शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों की तुलना प्लैटिनम से बने नमूनों से की, जो एक प्रसिद्ध सामग्री है जहाँ रूपांतरण ज्ञात रूप से बल्क में होता है। प्लैटिनम के नमूने बिल्कुल अपेक्षित व्यवहार कर रहे थे, जिसमें परत के मोटा होने पर संकेत बढ़ता गया, जो यह सिद्ध करने के लिए एक सटीक नियंत्रण (control) के रूप में कार्य करता था कि उनका प्रयोगात्मक सेटअप सही ढंग से काम कर रहा था और MoTe2 विशिष्ट व्यवहार कर रहा था।

आगे की जांच से पता चला कि चल रही क्रिया एक विशिष्ट प्रकार की अंतःक्रिया है जिसे राशबा-एडलस्टीन प्रभाव (Rashba-Edelstein effect) कहा जाता है, जो इंटरफ़ेस पर समरूपता (symmetry) टूटने से उत्पन्न होता है। यह सिद्ध करने के लिए कि यह प्रभाव वास्तव में एक इंटरफेशियल घटना है न कि एक बल्क गुण, टीम ने चुंबकीय धातु और MoTe2 के बीच सोने (gold) की एक पतली परत डाली। यह सोने का स्पैसर (spacer) एक अवरोध के रूप में कार्य करता है, जो दोनों सामग्रियों को अलग करता है ताकि वे सीधे परस्पर क्रिया न कर सकें। जब उन्होंने इस अवरोध के साथ माप दोहराया, तो शक्तिशाली रूपांतरण संकेत गायब हो गया, जो केवल चुंबकीय परत में देखे गए स्तर के समान था। इस नाटकीय कमी ने पुष्टि की कि शक्तिशाली रूपांतरण प्रभाव के लिए MoTe2 और चुंबकीय परत के बीच प्रत्यक्ष संपर्क की आवश्यकता थी। अध्ययन ने यह भी उजागर किया कि इस इंटरफ़ेस पर उत्पन्न स्पिन धाराओं के असामान्य गुण थे, जो ऐसी दिशाओं में बल पैदा करते थे जो मानक धातु परतों में आमतौर पर नहीं देखे जाते, जो सतह पर होने वाली जटिल परमाणु अंतःक्रियाओं का एक संकेत है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि स्पटर किए गए (sputtered) MoTe2 के लिए, इसकी उच्च प्रदर्शन की कुंजी इसकी मात्रा में नहीं, बल्कि उस इंटरफ़ेस की गुणवत्ता में है जहाँ यह चुंबकीय परत से मिलता है। यह अंतर स्पिंट्रोनिक उपकरणों के भविष्य के विकास के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह सुझाव देता है कि इंजीनियरों को उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए इन सामग्रियों के मोटे, पूर्ण क्रिस्टल उगाने की आवश्यकता नहीं है; इसके बजाय, वे स्वयं इंटरफ़ेस को अनुकूलित करने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन संरचनाओं में उत्पन्न स्पिन-ऑर्बिट टॉर्क की दक्षता उल्लेखनीय रूप से उच्च थी, जो वर्तमान में उपयोग की जाने वाली सर्वश्रेष्ठ भारी धातुओं के बराबर या उनसे भी अधिक थी। यह दिखाकर कि ये प्रभाव मानक औद्योगिक विधियों द्वारा बनाए गए पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्मों में भी मजबूत हैं, यह अध्ययन दो-आयामी सामग्रियों पर आधारित कम-शक्ति वाले चुंबकीय मेमोरी और लॉजिक डिवाइस बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग खोलता है, जिससे यह क्षेत्र व्यावहारिक, ऊर्जा-कुशल अनुप्रयोगों के करीब पहुँच जाता है।