Interplay of spin-orbit coupling and magnetic chirality: Multidirectional spin polarization in a helical antiferromagnet

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, बिजली का प्रवाह आमतौर पर केवल आवेश (charge) की एक धारा होता है। लेकिन हर इलेक्ट्रॉन के भीतर एक और गुण छिपा होता है, एक सूक्ष्म आंतरिक चुंबकत्व जिसे 'स्पिन' (spin) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि प्रत्येक इलेक्ट्रॉन एक सूक्ष्म घूमता हुआ लट्टू है; यह स्पिन या तो ऊपर या नीचे की ओर हो सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस स्पिन को नियंत्रित करने की कोशिश कर रहे हैं ताकि ऐसे तेज़ और अधिक कुशल उपकरण बनाए जा सकें जो कम बिजली का उपयोग करें और बिना निरंतर बिजली की आवश्यकता के सूचनाओं को संग्रहीत कर सकें। स्पिंट्रोनिक्स (spintronics) नामक यह क्षेत्र उन सामग्रियों पर निर्भर करता है जो इन इलेक्ट्रॉनों को फ़िल्टर कर सकें, यानी केवल विशिष्ट स्पिन दिशा वाले इलेक्ट्रॉनों को ही गुजरने दें। हालांकि, ऐसा करने के लिए पारंपरिक रूप से चुंबकों का उपयोग किया जाता रहा है, लेकिन एंटीफेरोमैग्नेट्स (antiferromagnets) नामक सामग्रियों का एक नया वर्ग एक आशाजनक विकल्प के रूप में उभरा है। साधारण चुंबकों के विपरीत, एंटीफेरोमैग्नेट्स में कोई शुद्ध चुंबकीय खिंचाव नहीं होता, जिससे वे बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अदृश्य और अविश्वसनीय रूप से तेज़ हो जाते हैं। हालांकि, लंबे समय तक इन सामग्रियों को इतना सममित (symmetrical) माना जाता था कि वे अपने आप में एक उपयोगी स्पिन करंट उत्पन्न नहीं कर सकतीं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशिष्ट प्रकार की मुड़ी हुई संरचना (twisted structure) का उपयोग करके उस समरूपता को तोड़ने का तरीका खोजा है। उन्होंने एक हेलिकल एंटीफेरोमैग्नेट (helical antiferromagnet) के सैद्धांतिक मॉडल की जांच की, जो अनिवार्य रूप से चुंबकीय परमाणुओं की एक श्रृंखला है जो एक सर्पिल (spiral) के रूप में व्यवस्थित है, बिल्कुल एक कुंडलित स्प्रिंग की तरह। इस व्यवस्था में, जैसे-जैसे आप श्रृंखला के साथ आगे बढ़ते हैं, प्रत्येक परमाणु का चुंबकीय अभिविन्यास थोड़ा घूमता है, जिससे एक निरंतर घुमाव पैदा होता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि जब इलेक्ट्रॉन इस सर्पिल संरचना से गुजरते हैं और साथ ही वे उनके स्पिन और उनकी गति के बीच एक सूक्ष्म अंतःक्रिया (interaction) का अनुभव करते हैं, जिसे स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग (spin-orbit coupling) कहा जाता है, तो क्या होता है। इस मुड़े हुए चुंबकीय तार के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह का अनुकरण (simulation) करके, उन्होंने पाया कि सर्पिल आकार और आंतरिक चुंबकीय घुमाव का संयोजन एक शक्तिशाली प्रभाव पैदा करता है। केवल एक दिशा में इलेक्ट्रॉनों को फ़िल्टर करने के बजाय, यह प्रणाली एक ऐसा स्पिन ध्रुवीकरण (spin polarization) उत्पन्न करती है जो एक साथ तीन अलग-अलग दिशाओं में होता है: ऊपर और नीचे, बाएँ और दाएँ, और आगे और पीछे।

यह अध्ययन दर्शाता है कि यह बहु-दिशीय नियंत्रण कोई संयोग नहीं है बल्कि सिस्टम में टूटी हुई समरूपता का सीधा परिणाम है। एक मानक, सीधी चुंबकीय तार में, भौतिकी के नियम अक्सर स्पिन को एक एकल अक्ष के साथ संरेखित करने के लिए मजबूर करते हैं। लेकिन हेलिकल घुमाव इन नियमों को बाधित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब इलेक्ट्रॉन इस सर्पel से गुजरते हैं, तो चुंबकीय बनावट उन्हें विभिन्न स्पिन चैनलों में विभाजित करने के लिए मजबूर करती है। उल्लेखनीय रूप से, यह प्रभाव बिना किसी ऊष्मा या विकार (disorder) के अव्यवस्थित प्रभावों की आवश्यकता के भी होता, जिन पर अन्य सिद्धांत कभी-कभी निर्भर करते हैं। यह प्रभाव पूरी तरह से सुसंगत (coherent) है, जिसका अर्थ है कि गुजरते समय इलेक्ट्रॉन अपने क्वांटम स्वभाव को बनाए रखते हैं। टीम ने दिखाया कि सर्पिल के कसाव या आंतरिक चुंबकीय अंतःक्रियाओं की शक्ति को समायोजित करके, वे ठीक से नियंत्रित कर सकते हैं कि कितना स्पिन उत्पन्न होगा और किस दिशा में। नियंत्रण का यह स्तर बताता है कि ऐसी सामग्रियां स्पिन करंट के लिए अत्यधिक कुशल, बहु-अक्षीय फिल्टर के रूपए कार्य कर सकती हैं।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक इलेक्ट्रॉनों के परमाणुओं के बीच कूदने (jump) की दूरी से संबंधित है। शोधकर्ताओं ने दो परिदृश्यों की तुलना की: एक जहाँ इलेक्ट्रॉन केवल अपने निकटतम पड़ोसियों तक कूद सकते हैं, और दूसरा जहाँ वे श्रृंखला में और आगे तक कूद सकते हैं। उन्होंने पाया कि लंबी दूरी की छलांग (long-range jump) की अनुमति देने से स्पिन-फ़िल्टरिंग प्रभाव नाटकीय रूप से सुधर गया। लंबी दूरी वाले परिदृश्य में, सिस्टम ने तीनों दिशाओं में बहुत मजबूत स्पिन ध्रुवीकरण उत्पन्न किया। यह सुझाव देता है कि सामग्री की भौतिक संरचना, विशेष रूप से इलेक्ट्रॉन कितनी दूर तक पहुँच सकते हैं, डिवाइस के प्रदर्शन को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। इसके अलावा, टीम ने वास्तविक दुनिया की स्थितियों के तहत इस प्रभाव की मजबूती का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि स्पिन ध्रुवीकरण कमरे के तापमान और उससे ऊपर भी स्थिर रहा, जो दर्शाता है कि यह प्रभाव व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त स्थिर है। बाहरी चुंबकों की आवश्यकता के बिना, एक साथ तीन आयामों में स्पिन को उत्पन्न करने और नियंत्रित करने की क्षमता, उन कॉम्पैक्ट, उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक घटकों को डिजाइन करने का एक नया मार्ग खोलती है जो सूचनाओं को संसाधित करने और संग्रहीत करने के हमारे तरीके में क्रांति ला सकते हैं।