Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

ऊष्मा और बिजली को आमतौर पर ऐसे साथियों के रूप में देखा जाता है जो एक ही दिशा में एक साथ चलते हैं। जब आप धातु की छड़ के एक सिरे को गर्म करते हैं, तो बिजली गर्म हिस्से से ठंडे हिस्से की ओर बहती है। लेकिन भौतिकी में एक विशेष तरकीब है जहाँ ऊष्मा और बिजली को एक-दूसरे के लंबवत (right angles) चलने के लिए मजबूर किया जा सकता है, जैसे कि हवा के चलने पर नदी का पानी बगल की ओर बहने लगे। यह घटना, जिसे नेर्न्स्ट प्रभाव (Nernst effect) के रूप में जाना जाता है, भारी मशीनरी की आवश्यकता के बिना अपशिष्ट ऊष्मा को उपयोगी बिजली में बदलने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। वैज्ञानिक लंबे समय से इसके होने के दो मुख्य तरीकों को समझते आए हैं: एक बाहरी चुंबक द्वारा इलेक्ट्रॉनों पर दबाव डालने पर निर्भर करता है, और दूसरा सामग्री के आंतरिक चुंबकीय क्रम (internal magnetic order) पर निर्भर करता है। दशकों तक, यह प्रचलित धारणा थी कि आंतरिक संस्करण का यह प्रभाव उस क्षण गायब हो जाएगा जब सामग्री अपना स्थायी चुंबकत्व खो देगी, जो कि एक विशिष्ट तापमान पर होता है जिसे क्यूरी तापमान (Curie temperature) कहा जाता है। यदि चुंबकीय क्रम गायब हो जाता, तो उम्मीद की जाती थी कि यह प्रभाव भी उसके साथ ही समाप्त हो जाएगा।

जापान के नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर मैटेरियल्स साइंस और टोक्यो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती दी है। मैंगनीज, क्रोमियम और एंटीमनी से बनी सामग्रियों के एक विशिष्ट परिवार का अध्ययन करके, उन्होंने पाया कि नेर्न्स्ट प्रभाव केवल इसलिए बंद नहीं हो जाता क्योंकि सामग्री ने अपना स्थायी चुंबकत्व खो दिया है। इसके बजाय, यह प्रभाव वास्तव में उसी तापमान के आसपास सबसे मजबूत हो जाता है जहाँ चुंबकीय क्रम टूट जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि सामान्य चुंबकीय संकेत इस महत्वपूर्ण बिंदु पर पूरी तरह से फीके पड़ जाते हैं, परमाणु स्पिन (atomic spins) की अराजक, उतार-चढ़ाव वाली गति से प्रेरित एक अलग प्रकार का संकेत बना रहता है। यह खोज बताती है कि एक अव्यवस्थित अवस्था में स्पिन की बेचैन, डगमगाती गति भी एक ठोस, व्यवस्थित चुंबकीय क्षेत्र की तरह ही बिजली उत्पन्न करने के लिए प्रभावी हो सकती है।

इस छिपे हुए व्यवहार को खोजने के लिए, टीम ने Mn1-aCraSb का एक श्रृंखला वाले पॉलीक्रिस्टलाइन नमूने बनाए, जिसमें क्रोमियम की मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित किया गया था ताकि उस तापमान को बदला जा सके जिस पर सामग्री अपना चुंबकत्व खो देती है। उन्होंने उच्च-शुद्धता वाले तत्वों को एक साथ पिघलाकर, उन्हें पाउडर में पीसकर और स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग नामक तकनीक का उपयोग करके ठोस छड़ों में दबाकर इन सामग्रियों को संश्लेषित किया। परिणामी छड़ें षटकोणीय (hexagonal) संरचना वाली थीं और अवांछित अशुद्धियों से मुक्त थीं, जिनका क्यूरी तापमान क्रोमियम की मात्रा के आधार पर लगभग 295 केल्विन से 480 केल्विन के बीच था। शोधकर्ताओं ने नेर्न्स्ट प्रभाव को मापने का प्रयास किया, लेकिन उन्हें एक चुनौती का सामना करना पड़ा: एक ठोस ब्लॉक में इस प्रभाव को सीधे मापना कठिन है क्योंकि ऊष्मा भ्रमित करने वाले तरीकों से सामग्री के माध्यम से लीक हो सकती है। इसे हल करने के लिए, उन्होंने लॉक-इन थर्मोग्राफी (lock-in thermography) नामक एक चतुर अप्रत्यक्ष विधि का उपयोग किया। नमूने में सीधे बिजली मापने के बजाय, उन्होंने एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हुए नमूने के माध्यम से एक विद्युत धारा प्रवाहित की, जिससे एटिंग्सहाउसन प्रभाव (Ettingshausen effect) नामक एक संबंधित प्रभाव के कारण नमूना एक विशिष्ट पैटर्न में गर्म हो गया। नमूने की सतह पर तापमान तरंगों को देखने के लिए इन्फ्रारेड कैमरे का उपयोग करके, वे अन्य थर्मल शोर के हस्तक्षेप के बिना ठीक से गणना कर सके कि नेर्न्स्ट प्रभाव कितना मजबूत था।

परिणाम आश्चर्यजनक और स्पष्ट थे। जैसे-जैसे उन्होंने नमूनों को गर्म किया, शोधकर्ताओं ने देखा कि नेर्न्स्ट सिग्नल कैसे बदलता है। एक विशिष्ट चुंबकीय सामग्री में, सिग्नल ठीक उसी समय शून्य हो जाता है जब सामग्री चुंबकीय होना बंद कर देती है। हालांकि, इन मैंगनीज-क्रोमियम-एंटीमनी नमूनों में, नेर्न्स्ट सिग्नल लुप्त नहीं हुआ। यह तब भी बना रहा जब सामग्री चुंबकीय अवस्था से गैर-चुंबकीय अवस्था में परिवर्तित हुई। वास्तव में, सिग्नल ने क्यूरी तापमान के ठीक आसपास एक विशिष्ट शिखर (peak) दिखाया। साथ ही, शोधकर्ताओं ने एनोमलस हॉल प्रतिरोधकता (anomalous Hall resistivity) को मापा, जो एक ऐसा गुण है जो आमतौर पर चुंबकीय सामग्रियों में नेर्न्स्ट प्रभाव के साथ पूरी तरह से ट्रैक करता है। हालांकि, यह गुण ठीक क्यूरी तापमान पर शून्य हो गया, जैसा कि अपेक्षित था। इस विसंगति ने एक पहेली खड़ी कर दी: नेर्न्स्ट प्रभाव अभी भी जीवित और सक्रिय था, लेकिन इसका सामान्य चुंबकीय चालक गायब हो चुका था।

टीम ने इस विसंगति के लिए कई सामान्य स्पष्टीकरणों को खारिज कर दिया। उन्होंने विचार किया कि क्या मैग्ना (magnons) नामक सूक्ष्म चुंबकीय कण, जो ऊष्मा ले जाते हैं लेकिन बिजली नहीं, इस प्रभाव को खींच रहे हैं, लेकिन गणनाओं से पता चला कि मैग्ना इन उच्च तापमानों पर अपना प्रभाव खो देते हैं। उन्होंने इस बात की भी जांच की कि क्या कोई विलक्षण चुंबकीय बनावट या असामान्य इलेक्ट्रॉनिक संरचना इसके लिए जिम्मेदार हो सकती है, लेकिन डेटा ने इन विचारों का समर्थन नहीं किया। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने प्रस्तावित किया कि अपराधी 'लॉन्जिट्यूडिनल स्पिन फ्लक्चुएशन' (longitudinal fluctuation of spins) था। एक चुंबकीय सामग्री में, इलेक्ट्रॉनों के स्पिन आमतौर पर एक निश्चित दिशा में होते हैं। जैसे-जैसे सामग्री क्यूरी तापमान की ओर गर्म होती है, ये स्पिन डगमगाने और उतार-चढ़ाव दिखाने लगते हैं। जबकि अधिकांश सिद्धांत पार्श्व (sideways) में डगमगाते स्पिनों पर ध्यान केंद्रित करते हैं, शोधकर्ताओं ने पाया कि स्पिन की अपनी दिशा के साथ होने वाले उतार-चढ़ाव ने नेर्न्स्ट प्रभाव को संचालित किया। उन्होंने लॉन्गिट्यूडिनल स्पिन फ्लक्चुएशन के इस विचार पर आधारित एक सैद्धांतिक मॉडल बनाया और पाया कि इसने प्रयोगों में देखे गए शिखर व्यवहार को पूरी तरह से पुनरुत्पादित किया।

यह खोज ऊष्मा को बिजली में बदलने के बारे में वैज्ञानिकों के सोचने के तरीके को बदल देती है। यह प्रकट करती है कि एक मजबूत अनुप्रस्थ ऊष्मीय-विद्युत प्रभाव (transverse thermoelectric effect) उत्पन्न करने के लिए आपको एक पूर्णतः व्यवस्थित चुंबकीय अवस्था की आवश्यकता नहीं है। क्यूरी तापमान के पास स्पिन की अराजक, उतार-चढ़ाव वाली अवस्था केवल एक अंत नहीं है बल्कि ऊर्जा रूपांतरण के लिए एक शक्तिशाली इंजन है। चूंकि यह प्रभाव कमरे के तापमान से काफी ऊपर काम करता है, इसलिए यह औद्योगिक प्रक्रियाओं या इंजनों से ऊष्मा प्राप्त करने के लिए ऊष्मीय उपकरणों (thermoelectric devices) को डिजाइन करने की नई संभावनाएं खोलता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों की बेचैन गति, जिसे अक्सर विकार के स्रोत के रूप में देखा जाता है, उसे उपयोगी विद्युत धाराओं को बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, जो ऊर्जा प्रौद्योगिकियों को बेहतर बनाने के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है।