Exchange-Driven Chiral Magnons and Weyl States in Room-Temperature Metallic XCoB$_2$ (X= Ta, Zr and Hf) Altermagnets

ठोस पदार्थों की दुनिया में, चुंबकत्व आमतौर पर दो परिचित समूहों में आता है। एक फेरोमैग्नेट (ferromagnet) है, जैसे कि रेफ्रिजरेटर के दरवाजे में लगा लोहा, जहाँ सभी सूक्ष्म परमाणु चुंबक एक ही दिशा में होते हैं, जिससे एक मजबूत खिंचाव और उसके आसपास के स्थान में एक क्षेत्र (field) बनता है। फिर एक एंटीफेरोमैग्नेट (antiferromagnet) है, जहाँ परमाणु चुंबक विपरीत दिशाओं में होते हैं, जो एक-दूसरे को इतनी पूर्णता से संतुलित कर देते हैं कि सामग्री बाहरी दुनिया के लिए चुंबकीय रूप से तटस्थ महसूस होती है। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि क्रिस्टल के भीतर इलेक्ट्रॉन और उनके स्पिन कैसे व्यवस्थित हो सकते हैं, इसके केवल यही दो विकल्प थे। हालाँकि, हाल ही में एक नई, अधिक सूक्ष्म श्रेणी उभरी है, जिसे अल्टरमैग्नेट (altermagnet) के रूप में जाना जाता है। ये सामग्रियां एंटीफेरोमैग्नेट की तरह दिखती हैं क्योंकि इनमें कोई शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है, लेकिन वे एक महत्वपूर्ण तरीके से फेरोमैग्नेट की तरह व्यवहार करती हैं: इनके माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉन, भारी परमाणुओं की मदद के बिना भी (जो आमतौर पर ऐसे प्रभावों का कारण बनते हैं), अपने स्पिन के आधार पर दो अलग-अलग समूहों में विभाजित हो जाते हैं। यह अनूठा विन्यास सूचना को संग्रहीत करने और संसाधित करने के तरीके में क्रांति लाने का वादा करता है, लेकिन इस व्यवहार को प्रदर्शित करने वाली वास्तविक, स्थिर सामग्रियां खोजना, विशेष रूप से जो कमरे के तापमान पर काम करती हों, एक महत्वपूर्ण चुनौती रही है।

ढाका विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब सामग्रियों के एक आशाजनक नए परिवार की पहचान की है जो इस विवरण में पूरी तरह फिट बैठता है। उन्होंने कोबाल्ट, बोरॉन और एक तीसरे धातु तत्व—या तो टेंटलम, जिरकोनियम या हाफ्नियम—से बने धात्विक यौगिकों के एक समूह पर ध्यान केंद्रित किया। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर, वैज्ञानिकों ने पाया कि ये सामग्रियां, जो एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना बनाती हैं, वास्तव में अल्टरमैग्नेट हैं। सबसे रोमांचक खोज यह है कि इनमें से दो यौगिक, जिनमें जिरकोनियम और हाफ्नियम शामिल हैं, कमरे के तापमान से काफी ऊपर तापमान पर भी अपने चुंबकीय क्रम को बनाए रखते हैं, जो उन्हें भविष्य की तकनीक के लिए व्यावहारिक उम्मीदवार बनाता है। शोधकर्ताओं ने केवल चुंबकीय अवस्था की पहचान करने पर ही नहीं रोका; उन्होंने यह भी मानचित्रित किया कि इलेक्ट्रॉन इन सामग्रियों के माध्यम से कैसे चलते हैं और चुंबकत्व की लहरें, जिन्हें मैग्नोन (magnons) कहा जाता है, कैसे यात्रा करती हैं। उन्होंने पाया कि इन सामग्रियों में विशेषताओं का एक दुर्लभ संयोजन है: वे धात्विक हैं, उनमें एक विशेष प्रकार का चुंबकीय क्रम है जो इलेक्ट्रॉन स्पिन को विभाजित करता है, और उनमें ऊर्जा संरचना में 'वेल नोड्स' (Weyl nodes) नामक विलक्षण बिंदु मौजूद हैं, जो अद्वितीय विद्युत गुणों से जुड़े हैं।

इन सामग्रियों को क्या विशेष बनाता है, इसे समझने के लिए, एक को यह देखना होगा कि परमाणुओं को कैसे व्यवस्थित किया गया है और वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। टीम ने इन बोराइड्स की क्रिस्टल संरचना का विश्लेषण किया, जो ऑर्थोरोम्बिक (orthorhombic) नामक एक विशिष्ट ज्यामितीय परिवार से संबंधित हैं। इस व्यवस्था में, कोबाल्ट परमाणु एक ग्रिड बनाते हैं जहाँ उनके चुंबकीय क्षण वैकल्पिक दिशाओं में संकेत देते हैं, जिससे एक संतुलित, शून्य-शुद्ध-चुंबकत्व की स्थिति उत्पन्न होती है। हालाँकि, क्रिस्टल की समरूपता (symmetry) ऐसी है कि यह केवल स्पिन को उलटती नहीं है; बल्कि, यह उन्हें इस तरह से घुमाती है कि सामान्य समरूपता के नियमों को तोड़ दिया जाता है। यह विशिष्ट व्यवस्था इलेक्ट्रॉन के "अप" (up) स्पिन और "डाउन" (down) स्पिन के ऊर्जा स्तरों को अलग करने, या विभाजित करने की अनुमति देती है, जब वे सामग्री के माध्यम से चलते हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह विभाजन पर्याप्त है, जो कुछ मामलों में 200 मिली-इलेक्ट्रॉन वोल्ट (millielectronvolts) से अधिक तक पहुँच जाता है, जो इसे आसानी से पता लगाने और उपयोग करने के योग्य बनाता है। यह विभाजन यादृच्छिक नहीं है; यह क्रिस्टल की ज्यामिति द्वारा निर्धारित एक सटीक पैटर्न का पालन करता है, जिससे एक ऐसा परिदृश्य बनता है जहाँ विभिन्न स्पिन वाले इलेक्ट्रॉन अलग-अलग पथों पर चलते हैं।

अध्ययन ने मैग्नोन के व्यवहार की भी जांच की, जो चुंबकत्व की सामूहिक लहरें हैं, जो सामग्री के माध्यम से लहरों की तरह चलती हैं, जैसे हवा में ध्वनि तरंगें चलती हैं। अधिकांश चुंबकीय सामग्रियों में, ये लहरें ऊर्जा में समान जोड़ों में आती हैं। लेकिन इन नए अल्टरमैग्नेट्स में, शोधकर्ताओं ने पाया कि लहरें दो अलग-अलग शाखाओं में विभाजित हो जाती हैं जिनकी ऊर्जा भिन्न होती है, जिसे 'काइरल मैग्नोन स्प्लिटिंग' (chiral magnon splitting) कहा जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि कोबाल्ट परमाणुओं के बीच चुंबकीय बल एक समान नहीं हैं; विशेष रूप से, क्रिस्टल लैटिस में छह चरणों की दूरी पर स्थित परमाणुओं के बीच की अंतःक्रिया उस पथ के आधार पर भिन्न होती है जो वे लेते हैं। परमाणुओं को एक साथ जोड़ने वाले चुंबकीय "गोंद" में यह सूक्ष्म अंतर मैग्नोन तरंगों की ऊर्जा अपभ्रष्टता (degeneracy) को हटाने के लिए पर्याप्त रूप से मजबूत है। टीम ने गणना की कि यह विभाजन 3.10 मिली-इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक पहुँच जाता है, जो एक ऐसी तकनीक का उपयोग करके मापने योग्य है जिसे 'इनइलास्टिक न्यूट्रॉन स्कैटरिंग' (inelastic neutron scattering) कहा जाता है, जिसमें सामग्री से टकराने वाले न्यूट्रॉन के उछाल का उपयोग करके उसके कंपन को देखा जाता है।

इन सामग्रियों के लिए सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक वह तापमान है जिस पर वे चुंबकीय रहते हैं। शोधकर्ताओं ने मोंटे कार्लो सिमुलेशन (Monte Carlo simulation) नामक एक विधि का उपयोग किया, जिसमें यह देखने के लिए हजारों आभासी प्रयोग चलाए जाते हैं कि सामग्री गर्म होने पर कैसा व्यवहार करती है। उन्होंने पाया कि टेंटलम वाला यौगिक लगभग 67 केल्विन के अपेक्षाकृत कम तापमान पर अपना चुंबकीय क्रम खो देता है, जो जमने के बिंदु से बहुत नीचे है। हालाँकि, जिरकोनियम और हाफ्नियम वाले यौगिक बहुत अधिक सुदृढ़ हैं। जिरकोनियम-आधारित सामग्री 330 केल्विन तक चुंबकीय रहती है, और हाफ्नियम-आधारित सामग्री 307 केल्विन तक बनी रहती है। चूँकि कमरे का तापमान लगभग 293 केल्विन होता है, इसका अर्थ है कि जिरकोनियम और हाफ्नियम यौगिक रोजमर्रा के वातावरण में स्थिर और कार्यात्मक हैं, जो किसी भी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग की जाने वाली चुंबकीय सामग्री के लिए एक दुर्लभ और मूल्यवान गुण है।

अपने चुंबकीय गुणों के अलावा, ये सामग्रियां टोपोलॉजिकल (topological) विशेषताएं भी प्रदर्शित करती हैं जो उन्हें और भी दिलचस्प बनाती हैं। जब शोधकर्ताओं ने स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग (spin-orbit coupling) के प्रभावों को शामिल किया—जो इलेक्ट्रॉन के स्पिन और उसकी गति के बीच एक सापेक्षिक अंतःक्रिया है—तो उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा बैंड एक-दूसरे को विशिष्ट बिंदुओं पर काटते हैं, जिससे 'वेल नोड्स' (Weyl nodes) बनते हैं। ये नोड्स सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य में एक विशेष प्रकार की वक्रता (curvature) के स्रोत और सिंक के रूप में कार्य करते हैं। इस संरचना के कारण, ये सामग्रियां एक मजबूत 'एनोमलस हॉल इफेक्ट' (anomalous Hall effect) उत्पन्न करने की भविष्यवाणी करती हैं, जो एक ऐसी घटना है जहाँ सामग्री के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता के बिना, प्रवाह के लंबवत एक वोल्टेज बनाती है। इस प्रभाव की गणना की गई शक्ति महत्वपूर्ण है, जो सैकड़ों चालकता इकाइयों तक पहुँचती है, जो यह सुझाव देती है कि ये सामग्रियां गर्मी या स्पिन धाराओं को विद्युत संकेतों में बदलने में अत्यधिक कुशल हो सकती हैं।

शोधकर्ताओं ने इन गुणों के सूक्ष्म मूलों को इस बात से भी जोड़ा कि परमाणु कैसे जुड़े हुए हैं। उन्होंने पाया कि मैग्नोन तरंगों का विभाजन कोबाल्ट परमाणुओं के बीच लंबी दूरी की अंतःक्रियाओं द्वारा संचालित होता है जो क्रिस्टल के भीतर एक considerable दूरी पर स्थित हैं। ये अंतःक्रियाएं बीच में मौजूद बोरॉन और तीसरे धातु परमाणुओं के माध्यम से संचालित होती हैं। जिरकोनियम और हाफ्नियम यौगिकों में, बोरॉन परमाणुओं के माध्यम से जाने वाला पथ एक फेरोमैग्नेटिक लिंक बनाता है, जबकि धातु परमाणुओं के माध्यम से जाने वाला पथ एक एंटीफेरोमैग्नेटिक लिंक बनाता है। चूँकि ये दोनों पथ परमाणु व्यवस्था या लंबाई में एक समान नहीं हैं, वे थोड़े अलग बल डालते हैं, और यही अंतर चुंबकीय तरंगों के अद्वितीय काइरल विभाजन को प्रेरित करता है। परमाणु-स्तर की इन अंतःक्रियाओं की यह विस्तृत समझ भविष्य में इसी तरह की सामग्रियों को इंजीनियर करने के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करती है।

संक्षेप में, यह कार्य एक नए प्रकार के धात्विक अल्टरमैग्नेट्स की पहचान करता है जो शून्य शुद्ध चुंबकत्व के साथ बड़े स्पिन-विभाजन और कमरे के तापमान की स्थिरता को जोड़ते हैं। जिरकोनियम और हाफ्नियम बोराइड्स में इन गुणों की खोज एक ऐसा मंच प्रदान करती है जहाँ इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय काइरलिटी दोनों बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के हस्तक्षेप के सह-अस्तित्व में रह सकते हैं। वेल नोड्स और मजबूत एनोमलस हॉल प्रतिक्रियाओं द्वारा समर्थित यह दोहरी क्षमता, इन सामग्रियों को अगली पीढ़ी के स्पिंट्रोनिक (spintronic) उपकरणों के लिए मजबूत उम्मीदवार के रूप में स्थापित करती है। ये निष्कर्ष कठोर प्रथम-सिद्धांत गणनाओं (first-principles calculations) और सिमुलेशन पर आधारित हैं, जो प्रयोगवादियों को इन यौगिकों को प्रयोगशाला में संश्लेषित और परीक्षण करने के लिए एक ठोस सैद्धांतिक आधार प्रदान करते हैं। यदि प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि हो जाती है, तो ये सामग्रियां कमरे के तापमान पर काम करने वाली अल्ट्रा-फास्ट, ऊर्जा-कुशल तकनीकों को विकसित करने के लिए नए मार्ग खोल सकती हैं, जो मौलिक क्वांटम भौतिकी और व्यावहारिक इंजीनियरिंग के बीच के अंतर को पाटती हैं।