Exchange striction determines how fast antiferromagnetic insulators demagnetize
यह अध्ययन एक्सचेंज स्ट्रिक्शन—परमाणु विस्थापन के प्रति एक्सचेंज कपलिंग की संवेदनशीलता—को एंटीफेरोमैग्नेटिक इंसुलेटर्स के अल्ट्राफास्ट डीमैग्नेटाइजेशन की गति को निर्धारित करने वाले प्रमुख सामग्री पैरामीटर के रूप में पहचानता है, जो उच्च-गति मेमोरी अनुप्रयोगों के लिए संभावित सामग्रियों के पूर्वानुमान और स्क्रीनिंग को सक्षम बनाता है।
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चुंबकों की दुनिया में, एक मौलिक नियम है जो यह नियंत्रित करता है कि किसी सामग्री को कितनी तेज़ी से बंद किया जा सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि जब आप किसी चुंबक पर लेज़र पल्स (laser pulse) मारते हैं, तो उसकी आंतरिक व्यवस्था पलक झपकते ही गायब हो सकती है। इस प्रक्रिया को डीमैग्नेटाइजेशन (demagnetization) कहा जाता है, और यह तेज़ कंप्यूटर और अधिक कुशल डेटा स्टोरेज बनाने की कुंजी है। हालाँकि, यह प्रक्रिया कितनी तेज़ी से होती है, यह इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि चुंबक किस चीज़ से बना है। धातुओं में, यह प्रक्रिया अविश्वत रूप से तेज़ होती है क्योंकि इलेक्ट्रॉन आसानी से ऊर्जा और परमाणुओं के "स्पिन" (spin) को ले जा सकते हैं। लेकिन इंसुलेटरों में—वे सामग्रियां जो बिजली का संचालन नहीं करती हैं, जैसे कि कई सिरेमिक और क्रिस्टल—इलेक्ट्रॉन अपनी जगह पर स्थिर होते हैं। वे ऊर्जा को दूर नहीं ले जा सकते, इसलिए गर्मी को सामग्री की कठोर संरचना के माध्यम से स्थानांतरित होना पड़ता है। यह एक बाधा (bottleneck) पैदा करता है। लंबे समय तक, शोधकर्ताओं ने विभिन्न इंसुलेटिंग मैग्नेट को अलग-अलग गति से अपनी चुंबकीय व्यवस्था को पिघलते हुए देखा है, जो कुछ ट्रिलियनवें सेकंड से लेकर कुछ बिलियनवें सेकंड तक की सीमा में है, बिना यह समझे कि कुछ अन्य की तुलना में इतने तेज़ क्यों हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो विशिष्ट क्रिस्टल: क्रोमियम ऑक्साइड और आयरन बोरेट को देखकर इस रहस्य को सुलझा लिया है। दोनों ही इंसुलेटिंग मैग्नेट हैं जो सूक्ष्मदर्शी के नीचे एक समान दिखते हैं, एक ही बुनियादी क्रिस्टल संरचना और एक ही प्रकार की चुंबकीय व्यवस्था साझा करते हैं। फिर भी, जब उन्हें अल्ट्राफास्ट लेज़र पल्स से टकराया जाता है, तो वे पूरी तरह से अलग व्यवहार करते हैं। क्रोमियम ऑक्साइड दो ट्रिलियनवें सेकंड से भी कम समय में अपना चुंबकीय क्रम खो देता है। आयरन बोरेट, जो सामग्रियों की आवर्त सारणी में इसके ठीक बगल में स्थित है, इसे करने में सौ गुना अधिक समय लेता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इसका रहस्य इस बात में छिपा है कि परमाणु कितनी मजबूती से एक साथ पैक किए गए हैं और परमाणुओं के हिलने पर उनके बीच के चुंबकीय बल कैसे प्रतिक्रिया करते हैं।
टीम ने सेकंड-हारमोनिक जनरेशन (second-harmonic generation) नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जो चुंबकीय क्षेत्रों के लिए एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह कार्य करती है, ताकि लेज़र पल्स द्वारा गर्म किए जाने पर क्रोमियम ऑक्साइड क्रिस्टल को देखा जा सके। उन्होंने देखा कि एक बार जब क्रिस्टल लैटिस (lattice) एक विशिष्ट तापमान से ऊपर गर्म हो गया, तो चुंबकीय क्रम लगभग तुरंत ढह गया। यह समझने के लिए कि यह इतना तेज़ क्यों हुआ, वे कंप्यूटर सिमुलेशन की ओर मुड़े जिसने सामग्री के प्रत्येक परमाणु और स्पिन की गति का मॉडल तैयार किया। इन सिमुलेशन ने खुलासा किया कि डीमैग्नेटाइजेशन की गति 'एक्सचेंज स्ट्रिक्शन' (exchange striction) नामक एक तंत्र द्वारा नियंत्रित होती है। यह यह समझाने का एक शानदार तरीका है कि दो परमाणुओं के बीच का चुंबकीय बल कैसे बदल जाता है जब उनके बीच की दूरी थोड़ी सी भी बदलती है।
क्रोमियम ऑक्साइड क्रिस्टल में, चुंबकीय परमाणु बहुत करीब रखे गए हैं। चूंकि वे एक-दूसरे के बहुत पास हैं, इसलिए उनके बीच का चुंबकीय बल इन सूक्ष्म गतिविधियों के प्रति अत्यंत संवेदनशील है। जब लेज़र क्रिस्टल को गर्म करता है, तो परमाणु कंपन करते हैं, और चूंकि चुंबकीय बल इन कंपनों के प्रति इतना संवेदनशील है, इसलिए ऊर्जा तेजी से कंपन करते परमाणुओं से चुंबकीय स्पिन में प्रवाहित होती है, जिससे व्यवस्था बिखर जाती है। आयरन बोरेट क्रिस्टल में, चुंबकीय परमाणु अन्य परमाणुओं द्वारा अलग किए गए हैं, जिससे उनका संबंध एक लंबी, ढीली ज़ंजीर जैसा हो जाता है। वहां चुंबकीय बल गति के प्रति बहुत कम संवेदनशील है, इसलिए ऊर्जा बहुत धीरे-धीरे प्रवाहित होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि क्रोमियम ऑक्साइड का चुंबकीय बल, आयरन बोरेट की तुलना में परमाणु गति के प्रति लगभग दस गुना अधिक संवेदनशील है। यह अंतर, और यह तथ्य कि क्रोमियम ऑक्साइड में कंपन चुंबकीय तरंगों के जोड़ों में अधिक आसानी से टूट सकते हैं, एक 'परफेक्ट स्टॉर्म' (perfect storm) बनाता है जो सामग्री को रिकॉर्ड गति से अपना चुंबकत्व खोने की अनुमति देता है।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन इंसुलेटिंग मैग्नेट की गति सीमा सामग्री के प्रकार का एक निश्चित गुण नहीं है, बल्कि यह इस आधार पर एक गणना योग्य विशेषता है कि परमाणुओं को कैसे व्यवस्थित किया गया है। यह मापकर कि परमाणुओं के हिलने पर चुंबकीय बल कितना बदलता है, वैज्ञानिक अब किसी भी नई सामग्री के बनने से पहले ही यह भविष्यवाणी कर सकते हैं कि वह कितनी तेज़ी से डीमैग्नेटाइज होगा। यह खोज अगली पीढ़ी के अल्ट्राफास्ट मेमोरी डिवाइस डिजाइन करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग खोलती है। यह अनुमान लगाने के बजाय कि कौन सी सामग्रियां काम कर सकती हैं, इंजीनियर अब परमाणु संरचना को देख सकते हैं और गति की गणना कर सकते हैं, और केवल उन्हीं को चुन सकते हैं जिनमें सबसे कड़े, सबसे संवेदनशील परमाणु संबंध हों, ताकि भौतिक संभावनाओं के बिल्कुल किनारे पर काम करने वाले उपकरण बनाए जा सकें।
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