Reconfigurable field-free spin Hall nano-oscillators enabled by crystallographic anisotropy in epitaxial Co/Pt

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, सूचना विद्युत धाराओं के रूप में यात्रा करती है, लेकिन डेटा को स्थानांतरित करने का एक नया, तेज़ तरीका इलेक्ट्रों के स्पिन (spin) पर निर्भर करता है। कल्पना कीजिए कि इलेक्ट्रॉन केवल छोटे आवेशित कण नहीं हैं, बल्कि घूमते हुए लट्टू (spinning tops) की तरह हैं। जब इन घूमते हुए लट्टुओं को एक विशिष्ट तरीके से धकेला जाता है, तो वे एक स्थिर, लयबद्ध कंपन उत्पन्न कर सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक ट्यूनिंग फोर्क (tuning fork)। वैज्ञानिक इन सूक्ष्म कंपन जनरेटरों को 'स्पिन हॉल नैनो-ऑसिलेटर' कहते हैं। ये अविश्वसनीय रूप से छोटे हैं, जो उच्च-आवृत्ति वाले संकेत उत्पन्न करने में सक्षम हैं जो अगली पीढ़ी के वायरलेस संचार को शक्ति दे सकते हैं, कंप्यूटरों को मानव मस्तिष्क की तरह सोचने में मदद कर सकते हैं, या जटिल गणितीय पहेलियों को हल कर सकते हैं। हालाँकि, इन उपकरणों को विश्वसनीय रूप से काम करने के लिए, उन्हें पारंपरिक रूप से एक स्थिर, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है ताकि उन्हें स्थिर रखा जा सके। यह आवश्यकता एक विशाल, भारी चुंबक के हर एक छोटे कंप्यूटर चिप के बगल में बैठने की आवश्यकता की तरह है ताकि उसे चालू रखा जा सके, जो इन उपकरणों के बड़े, कुशल नेटवर्क बनाना कठिन और बोझिल बनाता है।

शोधकर्ताओं ने लंबे समय से इस बाहरी चुंबक को हटाने का प्रयास किया है, इस उम्मीद में कि वे ऐसे ऑसिलेटर बना सकें जो अपना आंतरिक चुंबकीय पूर्वाग्रह (internal magnetic bias) स्वयं ले सकें। वैज्ञानिकों की एक टीम ने अब यह प्रदर्शित किया है कि वे सामग्री को उगाने (growing) के तरीके को बदलकर ऐसा कर सकते हैं। कोबाल्ट और प्लैटिनम की एक पतली फिल्म में परमाणुओं को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, उन्होंने एक अंतर्निहित चुंबकीय प्राथमिकता बनाई है जो बाहरी चुंबक की आवश्यकता को प्रतिस्थापित करती है। यह सफलता इन ऑसिलेटर्स को बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के भी अपने आप कंपन करने की अनुमति देती है। इसके अलावा, टीम ने दिखाया कि वे इन उपकरणों को चालू या बंद कर सकते हैं, या उनके व्यवहार को बदल सकते हैं, केवल आंतरिक चुंबकत्व (magnetization) की दिशा को बदलकर, एक ऐसी अवस्था जो बनाए रखने के लिए किसी शक्ति की आवश्यकता के बिना स्थिर रहती है। यह कार्य ऑसिलेटर्स के सघन, पुनर्गठित (reconfigurable) नेटवर्क बनाने की दिशा में मार्ग खोलता है जो आत्मनिर्भर और वास्तविक दुनिया की तकनीक के लिए कहीं अधिक व्यावहारिक हैं।

इस खोज की यात्रा एक विशिष्ट चुनौती के साथ शुरू हुई: एक नैनो-ऑसिलेटर को वैश्विक चुंबकीय क्षेत्र के बिना कैसे काम कराया जाए। मानक डिजाइनों में, एक बाहरी चुंबक इलेक्ट्रों के स्पिन के लिए एक समान दिशा प्रदान करता है, जो पूरे उपकरण के लिए एक सामान्य संदर्भ बिंदु के रूप में कार्य करता है। इसके बिना, इलेक्ट्रों को यह पता नहीं चलेगा कि किस दिशा में घूमना है, और दोलन (oscillation) विफल हो जाएगा। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि बाहरी क्षेत्र थोपने के बजाय, वे इस दिशा को प्रदान करने के लिए सामग्री को ही इंजीनियर कर सकते हैं। उन्होंने कोबाल्ट के एक रूप की ओर रुख किया जिसमें एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना होती है, जिसे हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड (hexagonal close-packed) के रूप में जाना जाता है, जहाँ परमाणुओं को इस तरह व्यवस्थित किया जाता है कि वे सामग्री के भीतर एक विशिष्ट रेखा के साथ एक प्राकृतिक चुंबकीय प्राथमिकता बनाते हैं। मैग्नीशियम ऑक्साइड के क्रिस्टल पर कोबाल्ट की एक पतली परत उगाकर, उन्होंने कोबाल्ट परमाणुओं को एक सटीक पैटर्न में संरेखित करने के लिए मजबूर किया। इस संरेखण ने एक मजबूत आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र बनाया, जो एक शक्तिशाली चुंबक के खिंचाव के लगभग बराबर है, लेकिन पूरी तरह से सामग्री के भीतर ही समाहित है।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह आंतरिक क्षेत्र उपकरण को चलाने के लिए पर्याप्त मजबूत है, टीम ने इस कोबाल्ट और प्लैटिनम सामग्री के छोटे पुल (bridges) बनाए, जिन्हें 150 नैनोमीटर चौड़ाई तक संकुचित किया गया। फिर उन्होंने इन पुलों के माध्यम से एक विद्युत धारा भेजी। एक सामान्य सेटअप में बिना बाहरी चुंबक के, कुछ भी नहीं होता। लेकिन यहाँ, क्रिस्टल संरचना द्वारा उत्पन्न आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र ने कार्यभार संभाल लिया। जब धारा प्रवाहित हुई, तो इसने घूमते हुए इलेक्ट्रों को इस तरह से धकेला जिससे सामग्री में होने वाले प्राकृतिक ऊर्जा नुकसान की भरपाई हुई। इस संतुलन ने चुंबकत्व को अपने आप कंपन करने की अनुमति दी, जिससे एक स्थिर माइक्रोवेव सिग्नल उत्पन्न हुआ। टीम ने इन संकेतों को मापा और पाया कि वे प्रति सेकंड 10 अरब चक्रों से अधिक की आवृत्ति पर कंपन कर रहे थे, जो आधुनिक संचार के लिए अत्यधिक वांछनीय गति है। महत्वपूर्ण रूप से, यह शून्य बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू होने के साथ हुआ, जिससे सिद्ध हुआ कि केवल क्रिस्टल संरचना ही इस दोलन को बनाए रखने के लिए पर्याप्त थी।

इस नए डिजाइन की सबसे आश्चर्यजनक विशेषताओं में से एक इसकी बिना अवस्था खोए पुनर्गठित होने की क्षमता है। इन उपकरणों में, आंतरिक चुंबक की दिशा एक स्विच की तरह कार्य करती है। यदि चुंबक एक दिशा में है, तो उपकरण केवल तभी दोलन करेगा जब विद्युत धारा सकारात्मक दिशा में प्रवाहित होगी। यदि चुंबक को विपरीत दिशा में घुमाया जाता है, तो उपकरण केवल तभी दोलेट करेगा जब धारा नकारात्मक दिशा में प्रवाहित होगी। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे एक अस्थायी चुंबकीय क्षेत्र की सहायता से, धारा के एक संक्षिप्त स्पंदन (pulse) का उपयोग करके इस चुंबकीय दिशा को बदल सकते हैं। एक बार जब स्पंदन समाप्त हो गया और अस्थायी क्षेत्र हटा दिया गया, तो चुंबक अपनी नई स्थिति में स्थिर रहा। इसका अर्थ है कि उपकरण अपनी अवस्था को तब भी याद रखता है जब बिजली बंद कर दी जाती है, जिसे गैर-अस्थिरता (nonvolatility) कहा जाता है। केवल इस आंतरिक स्विच को बदलकर, वे एक निश्चित धारा दिशा के लिए दोलन को चालू या बंद कर सकते थे, जिससे प्रभावी रूप से उपकरण के व्यवहार को प्रोग्राम किया जा सकता था।

टीम ने यह भी खोजा कि क्रिस्टल की आंतरिक चुंबकीय रेखा के सापेक्ष बहने वाली विद्युत धारा का कोण बहुत महत्व रखता है। इन छोटे पुलों को विभिन्न कोणों पर काटकर, वे नियंत्रित कर सकते थे कि दोलन कितनी आसानी से शुरू होता है। जब धारा क्रिस्टल की प्राकृतिक चुंबकीय रेखा के सापेक्ष एक विशिष्ट कोण पर प्रवाहित हुई, तो उपकरण को कंपन शुरू करने के लिए कम विद्युत शक्ति की आवश्यकता पड़ी। यह सुझाव देता है कि इंजीनियर जटिल सर्किट डिजाइन कर सकते हैं जहाँ चिप के विभिन्न भाग प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए अलग-अलग उन्मुखीकरण (orientation) रखते हैं, और यह सब एक ही सामग्री के टुकड़े पर संभव है। इसके अलावा, उन्होंने देखा कि कुछ विन्यासों में, उपकरण के भीतर दो अलग-अलग कंपन पैटर्न एक साथ जुड़ सकते हैं, और एक एकल, मजबूत सिग्नल में मिल सकते हैं। यह सिंक्रोनाइज़ेशन (synchronization), जो बिना किसी बाहरी मदद के हुआ, ऑसिलेटर्स के बड़े नेटवर्क बनाने के लिए एक प्रमुख आवश्यकता है जो मिलकर समस्याओं को हल करते हैं।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि करने के लिए कि ये कंपन वास्तव में कहाँ हो रहे हैं, लेजर प्रकाश से जुड़ी एक विशेष तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने उपकरण पर प्रकाश की एक सूक्ष्म किरण केंद्रित की और चुंबकीय कंपन से प्रकाश के प्रकीर्णन (scattering) को मापा। इससे उन्हें यह देखने में मदद मिली कि तीव्र कंपन पुल के संकुचित हिस्से (constriction) में ही सीमित थे, न कि पूरे उपकरण पर फैले हुए थे। यह स्थानीयकरण (localization) अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि ऊर्जा ठीक वहीं केंद्रित है जहाँ इसकी आवश्यकता है। लेजर माप ने यह भी पुष्टि की कि उनके द्वारा देखे गए दो अलग-अलग कंपन पैटर्न स्पष्ट थे और एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया कर सकते थे, और धारा के कोण को समायोजित करने पर एक एकल प्रमुख सिग्नल में विलीन हो गए। डिवाइस के भीतर के भौतिकी का इस विस्तृत दृश्य ने शोधकर्ताओं को इस विश्वास के साथ सक्षम बनाया कि उनका मॉडल कि कैसे क्रिस्टल संरचना दोलन को संचालित करती है, सही था।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक अकेले उपकरण को बिना चुंबक के काम करने के योग्य बनाने तक ही सीमित नहीं हैं। यह स्पिंट्रोनिक सर्किट को डिजाइन करने के एक नए सिद्धांत को स्थापित करता है, जहाँ सामग्री की अपनी परमाणु संरचना आवश्यक चुंबकीय वातावरण प्रदान करती है। सामग्री की क्रिस्टल समरूपता (crystal symmetry) का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक भारी बाहरी आवश्यकता को एक अंतर्निहित विशेषता से बदल दिया है जो निर्माण प्रक्रिया के दौरान ही तय हो जाती है। यह दृष्टिकोण ऐसे ऑसिलेटर नेटवर्क बनाने की अनुमति देता है जहाँ प्रत्येक व्यक्तिगत तत्व को स्वतंत्र रूप से आरंभ (initialize), चुना और पुनर्गठित किया जा सकता है। डिवाइस की अवस्था को गैर-अस्थिरता (nonvolatility) के माध्यम से बदलने की क्षमता का अर्थ है कि ये नेटवर्क बिजली जाने पर भी अपना विन्यास बनाए रख सकते हैं, जो मेमोरी और कंप्यूटिंग अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है। हालांकि वर्तमान प्रयोगों में स्विच को बदलने के लिए एक अस्थायी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता थी, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि सिमुलेशन बताते हैं कि यदि उपकरणों को अधिक सुदृढ़ बनाया जाए, तो इस चरण को पूरी तरह से हटाया जा सकता है, जिससे पूरी तरह से आत्मनिर्भर, क्षेत्र-मुक्त (field-free) ऑसिलेटर नेटवर्क का मार्ग प्रशस्त होगा।

यह अनुसंधान अधिक कुशल और सघन कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों की खोज में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह दिखाकर कि एक सामग्री की आंतरिक वास्तुकला बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों की जगह ले सकती है, टीम ने इन उपकरणों को बड़े पैमाने पर बनाने में एक बड़ी बाधा को दूर कर दिया है। धारा के उन्मुखीकरण और अवशेष चुंबकत्व (remanent magnetization) के माध्यम से दोलन को नियंत्रित करने की क्षमता इंजीनियरों को एक नया टूलकिट प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में इन सूक्ष्म ऑसिलेटर्स के जटिल सरणियों (arrays) को एक ही चिप पर बनाया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक को बिना किसी विशाल बाहरी चुंबक प्रणाली की आवश्यकता के विशिष्ट कार्य करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। निष्कर्ष इस बात की पुष्टि करते हैं कि उन्नत, मस्तिष्क जैसी कंप्यूटिंग और अल्ट्रा-फास्ट संचार का मार्ग न केवल इस बात में निहित है कि हम बिजली को कैसे नियंत्रित करते हैं, बल्कि इस बात में भी है कि हम उन परमाणुओं को कैसे व्यवस्थित करते हैं जो इसे वहन करते हैं।