Deterministic control of antiferromagnetic domain walls by circular phonons

चुंबकीय सामग्रियां लंबे समय से सूचनाओं को संग्रहीत करने के हमारे आधार का हिस्सा रही हैं, हमारे कंप्यूटरों की हार्ड ड्राइव से लेकर हमारे बटुओं में रखे क्रेडिट कार्ड तक। दशकों से, वैज्ञानिकों ने फेरोमैग्नेट्स (ferromagnets) पर ध्यान केंद्रित किया है, जो साधारण चुंबकों की संरचना करते हैं, क्योंकि उनके चुंबकीय क्षेत्र को मापना और नियंत्रित करना आसान होता है। हालांकि, एंटीफेरोमैग्नेट्स (antiferromagnets) नामक सामग्रियों का एक अलग वर्ग बहुत तेज़ और सघन डेटा स्टोरेज का वादा करता है। इन सामग्रियों में, परमाणुओं के सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन विपरीत दिशाओं में होते हैं, जिससे वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं और सामग्री का कोई समग्र चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है। यह उन्हें मानक चुंबकीय सेंसरों के लिए अदृश्य और हेरफेर करने के लिए अविश्वसनीय रूप से कठिन बनाता है। चुनौती इन सामग्रियों के भीतर विभिन्न क्षेत्रों, या डोमेन (domains), के बीच की सीमाओं को नियंत्रित करने में निहित है। यदि वैज्ञानिक इन सीमाओं को सटीकता के साथ चलाना सीख सकें, तो वे अगली पीढ़ी के मेमोरी डिवाइस बना सकते हैं जो अत्यंत तीव्र और अविश्वसनीय रूप से स्थिर होंगे।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन अदृश्य सीमाओं को स्वयं क्रिस्टल लैटिस (crystal lattice) के कंपन का उपयोग करके निर्देशित करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। मैंगनीज फास्फोरस ट्राइसल्फाइड नामक एक स्तरित खनिज के साथ काम करते हुए, जिसे निकेल के साथ हल्का सा डोप (doped) किया गया था ताकि इसकी आंतरिक संरचना को देखना आसान हो सके, वैज्ञानिकों ने परमाणुओं को एक विशिष्ट, गोलाकार पैटर्न में हिलाने के लिए मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश के पल्स का उपयोग किया। इस प्रकाश को एक विशिष्ट घुमाव, जिसे सर्कुलर पोलराइजेशन (circular polarization) कहा जाता है, के साथ निर्देशित करके, वे चुंबकीय डोमेन के बीच की सीमाओं को एक दिशा या दूसरी दिशा में धकेलने में सक्षम थे। इसका परिणाम सामग्री की चुंबकीय अवस्था को नियत रूप से (deterministically) बदलने का एक तरीका है, जो इसे एक स्थिर विन्यास से दूसरे में और फिर वापस बदल देता है, केवल उस प्रकाश की 'हैंडेडनेस' (handedness) को बदलकर जिसे इसे उत्तेजित करने के लिए उपयोग किया गया है।

उन्होंने जिस सामग्री का अध्ययन किया, वह मैंगनीज फास्फोरस ट्राइसल्फाइड है, जो एक वैन डेर वाल्स एंटीफेरोमैग्नेट (van der Waals antiferromagnet) है, जिसका अर्थ है कि यह कमजोर बलों द्वारा जुड़े पतले पर्तों से बना है, बिल्कुल ताश की गड्डी की तरह। प्रत्येक शीट के भीतर, चुंबकीय परमाणु एक हनीकॉम्ब पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। एक निश्चित तापमान के नीचे, ये परमाणु दो विपरीत समूहों में संरेखित होते हैं, जिससे एक ऐसी स्थिति पैदा होती है जहाँ चुंबकीय बल पूरी तरह संतुलित होते हैं। यह संतुलन सामग्री के लिए दो संभावित अवस्थाएं बनाता है, जो समय के संदर्भ में एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब (mirror images) हैं। एक आदर्श क्रिस्टल में, ये अवस्थाएं समान रूप से संभावित होंगी, लेकिन वास्तव में, सामग्री छोटे दोषों और खामियों से भरी होती है। ये खामियां लंगर (anchors) की तरह कार्य करती हैं, जो विभिन्न चुंबकीय क्षेत्रों के बीच की सीमाओं को अपनी जगह पर स्थिर कर देती हैं। यह 'पिनिंग' (pinning) आमतौर पर एक समस्या होती है, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि यह स्विचिंग को सफल बनाने की कुंजी भी है।

क्रिस्टल के भीतर क्या हो रहा था, यह देखने के लिए, टीम ने एक विशेष इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया जो इस बात पर निर्भर करती है कि प्रकाश सामग्री से कैसे टकराकर वापस लौटता है। क्योंकि चुंबकीय व्यवस्था क्रिस्टल की कुछ समरूपताओं (symmetries) को तोड़ती है, इसलिए लेजर से टकराने पर यह एक अनूठा सिग्नल उत्पन्न करती है, जिससे शोधकर्ता चुंबकीय डोमेन के भूलभुलैया जैसे पैटर्न को मैप कर सकते हैं। उन्होंने देखा कि इन क्षेत्रों के बीच की सीमाएं स्थिर नहीं थीं; उन्हें हिलाया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने फिर एक फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर की ओर रुख किया, जो प्रकाश का एक शक्तिशाली स्रोत है जो बहुत विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelengths) उत्पन्न करने में सक्षम है। उन्होंने इस लेजर को क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं के एक विशिष्ट समूह, फास्फोरस और सल्फर कॉम्प्लेक्स, की प्राकृतिक कंपन आवृत्ति (frequency) से मेल खाने के लिए ट्यून किया। जब उन्होंने इस आवृत्ति पर प्रकाश के पल्स दागे, तो परमाणु कंपन करने लगे।

महत्वपूर्ण कदम यह था कि उन्होंने प्रकाश को कैसे आकार दिया। परमाणुओं को केवल आगे-पीछे हिलाने के बजाय, उन्होंने परमाणुओं को एक वृत्त में चलाने के लिए सर्कुलरली पोलराइज्ड लाइट का उपयोग किया। इसने एक 'काइरल मोशन' (chiral motion) बनाया, जो क्रिस्टल लैटिस का एक सूक्ष्म घूमता हुआ स्वरूप है जिसकी एक विशिष्ट दिशा होती है, या तो क्लॉकवाइज (clockwise) या काउंटर-क्लॉकवाइज (counter-clockwise)। यह घूमने वाली गति एक चुंबकीय क्षेत्र की तरह कार्य करती है, लेकिन एक ऐसा क्षेत्र जो विद्युत धाराओं या बाहरी चुंबकों के बजाय परमाणुओं की गति से उत्पन्न होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने एक दिशा में घूमने वाले प्रकाश का उपयोग किया, तो चुंबकीय सीमाएं एक प्रकार के डोमेन को विस्तारित करने के लिए बढ़ीं। जब उन्होंने प्रकाश की दिशा को विपरीत दिशा में घुमाया, तो सीमाएं वापस आईं, जिससे वह डोमेन सिकुड़ गया और दूसरा डोमेन विस्तारित हो गया।

यह प्रक्रिया तात्कालिक नहीं है। प्रकाश का एक एकल पल्स सीमाओं को पूरे नमूने में ले जाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली नहीं है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रभाव संचयी (cumulative) है। उन्होंने प्रकाश के पल्स का एक क्रम चलाया, और प्रत्येक पल्स के साथ, सीमा थोड़ी और आगे बढ़ी, क्रिस्टल के उन दोषों के प्रतिरोध को पार करते हुए जो उसे अपनी जगह पर रोके हुए थे। यह एक भारी वस्तु को छोटी, बार-बार दी जाने वाली धक्कों से पहाड़ी पर ऊपर धकेलने के समान है; प्रत्येक धक्का उसे थोड़ा और ऊपर ले जाता है जब तक कि वह शिखर को पार न कर ले। अपने प्रयोगों में, डोमेन के आकार में महत्वपूर्ण परिवर्तन लाने के लिए उन्हें लगभग चार पल्स की आवश्यकता पड़ी, जिससे पड़ोसी क्षेत्र में एक उभार (protrusion) बन गया। हालांकि, प्रकाश की दिशा को उलटना बहुत अधिक कुशल था। विपरीत स्पिन वाले प्रकाश के एक एकल पल्स ने ही उस उभार को ढहाने और सीमा को उसकी मूल स्थिति में वापस लाने के लिए पर्याप्त किया।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि यह प्रभाव केवल एक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव नहीं था बल्कि क्रिस्टल के कंपनों के साथ प्रकाश की अंतःक्रिया का सीधा परिणाम था। उन्होंने प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्यों का परीक्षण किया और पाया कि प्रभाव केवल तभी सबसे मजबूत था जब प्रकाश गोलाकार परमाणु कंपनों की विशिष्ट आवृत्ति से मेल खाता था। यदि उन्होंने एक अलग आवृत्ति का उपयोग किया, तो सीमाएं नहीं हिलीं। उन्होंने विभिन्न तापमानों पर भी सिस्टम का परीक्षण किया, और पाया कि नियंत्रण पूर्ण शून्य से लगभग 45 डिग्री ऊपर के तापमान तक विश्वसनीय रूप से काम करता है। उस बिंदु के बाद, तापीय ऊर्जा बहुत अधिक हो गई, और प्रकाश सीमाओं को उसी सटीकता के साथ निर्देशित करने में असमर्थ रहा।

कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, टीम ने मॉडल किया कि सीमाएं क्रिस्टल के दोषों के परिदृश्य में कैसे चलती हैं। मॉडलों ने दिखाया कि परमाणुओं की गोलाकार गति एक ऐसा बल बनाती है जो सीमा को दोषों द्वारा बनाए गए ऊर्जा अवरोधों (energy barriers) के ऊपर चढ़ने में मदद करता है। एक बार जब सीमा एक दोष को पार कर जाती है, तो वह अगले दोष पर फिर से रुक जाती है, जिससे उसकी नई स्थिति स्थिर हो जाती है। यह चरण-दर-चरण गति स्पष्ट करती है कि क्यों परिवर्तन प्रत्येक पल्स के साथ संचित होते हैं। सिमुलेशन ने प्रयोग में देखी गई विषमता (asymmetry) को भी पुनरुत्पादित किया, यह दिखाते हुए कि खिंचे हुए डोमेन वॉल के तनाव के विरुद्ध सीमा को ले जाने के लिए कई छोटे धक्कों की आवश्यकता होती है, जबकि वापस लौटने देने से तनाव एक ही झटके में मुक्त हो जाता है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि इन सामग्रियों में चुंबकीय व्यवस्था को चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा नियंत्रित नहीं किया जा सकता (जो एंटीफेरोमैग्नेट्स में कमजोर होते हैं), बल्कि क्रिस्टल लैटिस के गतिशील आकार द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सर्कुलरली पोलराइज्ड लाइट के साथ विशिष्ट कंपनों को अनुनादपूर्ण रूप से (resonantly) उत्तेजित करके, वे एक प्रभावी क्षेत्र उत्पन्न कर सकते हैं जो सीधे चुंबकीय व्यवस्था पर कार्य करता है। यह क्षेत्र इतना शक्तिशाली है कि वह क्रिस्टल के पिनिंग बलों को पार कर सके और डोमेन दीवारों को एक अनुमानित, प्रतिवर्ती (reversible) तरीके से चला सके। निष्कर्ष बताते हैं कि इन सामग्रियों को नियंत्रित करने की कुंजी न केवल प्रकाश की शक्ति में है, बल्कि प्रकाश-प्रेरित गति और क्रिस्टल की प्राकृतिक खामियों के बीच के परस्पर संबंध में निहित है। यह समझकर कि ये दोष गति को कैसे स्थिर करते हैं, वैज्ञानिक संभावित रूप से अनुकूलित प्रतिक्रियाओं वाली सामग्रियां तैयार कर सकते हैं, जो एंटीफेरोमैग्नेट्स की छिपी हुई चुंबकीय अवस्थाओं का उपयोग करके सूचनाओं को संग्रहीत करने और संसाधित करने के नए तरीके खोल सकती हैं।