Vortex-mediated spin current injection into two-dimensional superconductor NbSe2

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, सूचना अक्सर विद्युत आवेश के प्रवाह द्वारा ले जाई जाती है, लेकिन डेटा ट्रांसमिशन का एक समानांतर ब्रह्मांड है जो एक अलग गुण पर निर्भर करता है: स्पिन। स्पिन इलेक्ट्रॉनों द्वारा धारण किया गया कोणीय संवेग का एक अंतर्निहित रूप है, जो एक छोटी आंतरिक दिशा सूचक सुई (कम्पास नीडल) की तरह कार्य करता है जो ऊपर या नीचे की ओर संकेत कर सकता है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से ऐसे उपकरण बनाने का सपना देखा है जो इस स्पिन का उपयोग सूचना ले जाने के लिए कर सकें, जिसे स्पिंट्रोनिक्स के रूप में जाना जाता है, क्योंकि यह वर्तमान तकनीक की तुलना में तेज़ गति और बहुत कम ऊर्जा बर्बादी का वादा करता है। हालाँकि, बिजली का संचालन करने वाले पदार्थ हमेशा एक बड़ी बाधा रहे हैं। साधारण धातुओं में, स्पिन सूचना एक छोटी दूरी तय करने के बाद ही बिखर जाती है। सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक) में, जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करते हैं, समस्या और भी गंभीर है। एक सुपरकंडक्टर के भीतर, इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाते हैं जिन्हें 'कूपर पेयर्स' कहा जाता है। ये जोड़े अपने स्पिन को विपरीत दिशाओं में लॉक कर देते हैं, जिससे वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं ताकि जोड़ा कोई शुद्ध स्पिन (net spin) नहीं ले जाता है। दशकों तक, इसका अर्थ यह था कि सुपरकंडक्टर्स स्पिन-आधारित सूचना के लिए मृत अंत थे, जब तक कि शोधकर्ता इस नियम को तोड़ने या पूरी तरह से एक अलग वाहक खोजने का तरीका न खोज लें।

शेन्ज़ेन में स्थित सदर्न यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक सुपरकंडक्टर के माध्यम से स्पिन सूचना को स्थानांतरित करने का एक नया तरीका खोज निकाला है, जो इलेक्ट्रॉन जोड़ों की सीमाओं को दरकिनो करता है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के दोष (defect) पर ध्यान केंद्रित किया जो चुंबकीय क्षेत्र लागू करने पर सुपरकंडक्टर्स में दिखाई देता है, जिसे 'वोर्टेक्स' (vortex) के रूप में जाना जाता है। एक सुपरकंडक्टर की कल्पना एक शांत, जमी हुई झील के रूप में करें जहाँ पानी बह नहीं सकता। जब एक चुंबकीय क्षेत्र इसके माध्यम से दबाव डालता है, तो यह बर्फ में छोटे, घूमते हुए भंवर (whirlpools) बनाता है। ये भंवर ही वोर्टेक्स हैं। जबकि पिछले अध्ययन इन भंवरों को कुशल बनाए रखने के लिए उनकी गति को रोकने पर केंद्रित थे, इस टीम ने महसूस किया कि यदि वे इन भंवरों को एक विशिष्ट तरीके से चला सकें, तो वे अपने साथ स्पिन सूचना ले जा सकते हैं। दो अलग-अलग सामग्रियों—एक सुपरकंडक्टिंग क्रिस्टल और एक चुंबकीय इंसुलेटर—का एक सैंडविच बनाकर, वे सुपरकंडक्टर में स्पिन इंजेक्ट करने और इन चलते हुए वर्टोकस के माध्यम से इसे यात्रा करते हुए देखने में सफल रहे।

इस प्रयोग में नियोबियम डिसिलीनाइड (niobium diselenide) नामक एक सुपरकंडक्टर की एक पतली शीट शामिल थी, जिसे लिथियम एल्युमीनियम आयरन ऑक्साइड नामक एक चुंबकीय इंसुलेटर के ठीक ऊपर रखा गया था। शोधकर्ताओं ने इस स्टैक के एक हिस्से को गर्म किया और दूसरे को ठंडा किया, जिससे परतों के माध्यम से लंबवत रूप से बहने वाला एक तापमान अंतर पैदा हुआ। बिना चुंबकीय परत वाले सामान्य सुपरकंडक्टर में, यह तापमान अंतर वर्टोकस को गर्म पक्ष से ठंडे पक्ष की ओर ले जाता है, जिससे एक छोटा विद्युत वोल्टेज उत्पन्न होता है। यह एक ज्ञात प्रभाव है जिसे 'वोर्टेक्स नर्नस्ट इफेक्ट' कहा जाता है। हालाँकि, चुंबकीय इंसुलेटर के साथ नए सेटअप में, कुछ अप्रत्याशित हुआ। चुंबकीय परत ने सुपरकंडक्टर में स्पिन की एक धारा इंजेक्ट की। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस इंजेक्ट किए गए स्पिन ने वर्टोकस को गर्मी से प्रेरित प्रवाह के बिल्कुल विपरीत दिशा में धकेल दिया। परिणामस्वरूप, चलते हुए वर्टोकस द्वारा उत्पन्न विद्युत वोल्टेज का चिह्न (sign) बदल गया, जो नियंत्रण नमूनों (control samples) में देखे गए प्रभाव का विपरीत था। यह साइन रिवर्सल (चिह्न परिवर्तन) ही वह मुख्य संकेत था कि स्पिन को वर्टोकस द्वारा ले जाया जा रहा था, जिससे यह सिद्ध हुआ कि चुंबकीय परत सफलतापूर्वक इन दोषों की गति को संचालित कर रही थी।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह प्रभाव वास्तव में वर्टोकस से आ रहा है न कि किसी अन्य स्रोत से, टीम ने सावधानीपूर्वक उन स्थितियों का मानचित्रण किया जिनके तहत यह संकेत दिखाई देता है। उन्होंने पाया कि यह प्रभाव केवल तभी मौजूद था जब चुंबकीय क्षेत्र इतना मजबूत था कि वह वर्टोकस की व्यवस्थित व्यवस्था को एक अराजक, तरल जैसी अवस्था में पिघला सके जहाँ वे स्वतंत्र रूप से घूम सकें। यदि चुंबकीय क्षेत्र बहुत कमजोर था, तो वर्टोकस अपनी जगह पर स्थिर थे, और कोई संकेत नहीं मिला। यदि तापमान उस बिंदु से ऊपर बढ़ाया गया जहाँ सामग्री सुपरकंडक्टर बन जाती है, तो संकेत पूरी तरह से गायब हो गया। यह अंतिम अवलोकन अत्यंत महत्वपूर्ण था क्योंकि इसने इस संभावना को खारिज कर दिया कि संकेत मुक्त, अनपेयर्ड इलेक्ट्रॉनों के कारण था, जिन्हें 'क्वासीपार्टिकल्स' (quasiparticles) कहा जाता है, जो स्पिन ले जा सकते हैं लेकिन केवल तभी अस्तित्व में होते हैं जब सामग्री पूरी तरह से सुपरकंडक्टिंग नहीं होती है। यह दिखाने के लिए कि प्रभाव ठीक उसी समय गायब हो गया जब सुपरकंडक्टिंग अवस्था समाप्त हुई, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि वर्टोकस स्वयं स्पिन सूचना के एकमात्र वाहक थे।

निष्कर्ष बताते हैं कि वर्टोकस केवल बाधाएं नहीं हैं जिन्हें दबाया जाना चाहिए, बल्कि स्पिन परिवहन में सक्रिय भागीदार हैं। अध्ययन इंगित करता है कि ये घूमते हुए दोष अत्यधिक कुशल संदेशवाहक के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो एक सुपरकंडक्टर के भीतर अपेक्षाकृत लंबी दूरी तक स्पिन कोणीय संवेग ले जाने में सक्षम हैं। यह खोज सुपरकंडक्टिंग स्पिंट्रोनिक उपकरणों को डिजाइन करने के लिए एक नया मार्ग खोलती है, जहाँ न्यूनतम ऊर्जा हानि के साथ सूचना को स्थानांतरित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि केवल तापमान और चुंबकीय क्षेत्र को नियंत्रित करके, वे सामग्री के माध्यम से स्पिन के प्रवाह को निर्देशित कर सकते हैं। हालांकि यह कार्य अभी अवधारणा को सिद्ध करने के शुरुआती चरणों में है, यह एक स्पष्ट तंत्र स्थापित करता है कि कैसे एक सुपरकंडक्टर में स्पिन को इंजेक्ट और ट्रांसपोर्ट किया जा सकता है, जिससे इन सामग्रियों की एक पहले से अनदेखी की गई विशेषता को अगली पीढ़ी की कंप्यूटिंग तकनीक के लिए एक संभावित उपकरण में बदला जा सके।