Asymmetric magnetoresistance in 3$d$-5$d$ based La$_{0.67}$Ca$_{0.33}$MnO$_3$/SrIrO$_3$ bilayer: The role of unidirectional anisotropy

सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया में, शोधकर्ता लगातार इस बात के तरीके खोज रहे हैं कि ठोस पदार्थों के माध्यम से बिजली कैसे प्रवाहित होती है, इसे कैसे नियंत्रित किया जाए। एक विशेष रूप से आशाजनक सीमा उन तरीकों को खोजने में शामिल है जहाँ विभिन्न प्रकार के क्रिस्टल को एक के ऊपर एक रखकर नई प्रवृत्तियाँ बनाई जा सकती हैं, जो अकेले उन सामग्रियों में मौजूद नहीं थीं। यह क्षेत्र दो मुख्य विचारों पर निर्भर करता है। पहला, किसी सामग्री के माध्यम से गति करने वाले इलेक्ट्रॉन 'स्पिन' नामक एक गुण ले जाते हैं, जो एक छोटे आंतरिक दिशा-सूचक यंत्र (compass) की तरह कार्य करता है। दूसरा, कुछ भारी धातुओं में, इन इलेक्ट्रॉनों की गति उनके स्पिन के साथ 'स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग' नामक घटना के माध्यम से मजबूती से जुड़ी होती है। जब वैज्ञानिक एक चुंबकीय सामग्री को एक भारी धातु के बगल में रखते हैं, तो वह इंटरफेस (interface) जहाँ वे मिलते हैं, एक अराजक लेकिन आकर्षक क्षेत्र बन जाता है। यहाँ, एक परत का चुंबकीय क्रम दूसरी परत में बिजली के प्रवाह को मोड़ सकता है, जिससे प्रतिरोध (resistance) के जटिल पैटर्न बनते हैं जो इस बात पर निर्भर करते हैं कि चुंबकीय क्षेत्र कैसे लगाया जाता है। इन अंतःक्रियाओं को समझना तेज़, अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है जो एक दिन कंप्यूटिंग की अगली पीढ़ी को शक्ति दे सकते हैं।

भारत की एक शोध टीम ने हाल ही में दो विशिष्ट सामग्रियों की एक बहुत पतली 'सैंडविच' संरचना बनाकर इस क्षेत्र का अन्वेषण किया है: एक चुंबकीय ऑक्साइड जिसे लैंथेनम कैल्शियम मैंगनाइट कहा जाता है, और एक भारी धातु ऑक्साइड जिसे स्ट्रोंटियम इरिडेटेट कहा जाता है। उन्होंने एक उच्च-ऊर्जा लेजर का उपयोग करके एक क्रिस्टल आधार पर परमाणु-दर-परमाणु इन परतों को उगाया, जिससे केवल दस नैनोमीटर मोटी संरचना तैयार हुई। जब उन्होंने विभिन्न तापमानों पर चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हुए इस स्टैक के माध्यम से बिजली के प्रवाह का परीक्षण किया, तो उन्होंने एक आश्चर्यजनक व्यवहार पाया। उच्च तापमान पर, सामग्री ने अपेक्षित व्यवहार दिखाया, जिसमें चुंबकीय क्षेत्र लागू करने पर कम प्रतिरोध मिला। हालांकि, जैसे ही उन्होंने नमूने को ठंडा किया, प्रतिरोध चुंबकीय क्षेत्र के साथ बढ़ने लगा, और फिर, सबसे कम तापमान पर, कुछ असामान्य हुआ। प्रतिरोध में वृद्धि असंतुलित (lopsided) हो गई। सामग्री ने एक दिशा में संकेत देने वाले चुंबकीय क्षेत्र के मुकाबले ठीक उसी विपरीत दिशा में संकेत देने वाले चुंबकीय क्षेत्र के प्रति अलग प्रतिक्रिया दी।

यह विषमता (asymmetry) कोई यादृच्छिक त्रुटि नहीं थी, बल्कि उस चुंबकीय क्रम का सीधा परिणाम थी जो दोनों परतों के बीच के इंटरफेस पर विकसित हुआ था। चुंबकीय परत, जो लगभग 240 केल्विन के तापमान पर स्वयं को व्यवस्थित करती है, उस भारी धातु की परत के साथ परस्पर क्रिया करती है जो लगभग 42 केल्विन के आसपास एक असामान्य चुंबकीय विकास दिखाती है। हालांकि स्ट्रोंटियम इरिडेटेट अपने थोक (bulk) रूप में आमतौर पर पैरामैग्नेटिक होता है, यह फिल्म इस विशिष्ट विशेषता को प्रदर्शित करती है, जो इंटरफेस पर मैंगनीज और इरिडियम परमाणुओं के बीच एक चुंबकीय युग्मन (coupling) की ओर ले जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह नई चुंबकीय अवस्था इंटरफेस पर चुंबकीय स्पिन को एक विशिष्ट, विपरीत व्यवस्था में लॉक कर देती है। यह लॉकिंग इलेक्ट्रॉनों के लिए एक प्रकार का 'वन-वे स्ट्रीट' (एकतरफा रास्ता) बनाती है। जब बाहरी चुंबकीय क्षेत्र स्पिन को संरेखित करने की कोशिश करता है, तो उसे एक अलग स्तर के प्रतिरोध का सामना करना पड़ता है, क्योंकि इंटरफेस पर आंतरिक चुंबकीय संरचना एक विशिष्ट दिशा में बंधी (pinned) होती है।

टीम ने चुंबकीय क्षेत्र को आगे-पीछे घुमाते हुए और विद्युत प्रतिरोध की निगरानी करते हुए इस प्रभाव को मापा। उन्होंने देखा कि 100 केल्विन से कम तापमान पर, जैसे-जैसे क्षेत्र बढ़ता है, प्रतिरोध बढ़ता जाता है, लेकिन इस वृद्धि का शिखर मान (peak value) तब काफी अधिक होता है जब क्षेत्र एक दिशा में होता है बनाम दूसरी दिशा में। वे इस व्यवहार को इस तथ्य के कारण बताते हैं जो यह दर्शाता है कि स्पिन किस तरह से सामग्री के माध्यम से चलते समय बिखेर (scatter) जाते हैं, जो यह सुझाव देता है कि दोनों परतों के बीच का इंटरफेस बिजली के लिए एक 'ट्यूनेबल गेट' के रूप में कार्य कर रहा है। शोधकर्ताओं ने इस संभावना को खारिज कर दिया कि यह सामग्री में अशुद्धियों या दोषों के कारण था, क्योंकि उनके संरचनात्मक विश्लेषण ने एक स्वच्छ, चिकने इंटरफेस को दिखाया जिसमें कोई अतिरिक्त चरण (phases) नहीं थे। इसके बजाय, साक्ष्य एक सीमा पर बलों के नाजुक संतुलन की ओर इशारा करते हैं, जहाँ भारी धातु की परत की चुंबकीय अवस्था चुंबकीय परत में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को संशोधित करती है।

यह खोज इस बात को रेखांकित करती है कि कैसे किसी सामग्री के भौतिक गुणों को उसके पड़ोसी परत की उपस्थिति से मौलिक रूप से बदला जा सकता है, भले ही वह पड़ोसी केवल कुछ परमाणुओं मोटा ही क्यों न हो। निष्कर्ष बताते हैं कि सामग्रियों को सावधानीपूर्वक चुनकर और उनके इंटरफेस पर स्थितियों को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक ऐसा प्रतिरोध इंजीनियर कर सकते हैं जो चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति जटिल, गैर-सममित (non-symmetric) तरीकों से प्रतिक्रिया करता है। हालांकि वर्तमान प्रयोग बहुत कम तापमान पर किए गए थे, यहाँ देखे गए सिद्धांत भविष्य की सामग्रियों को डिजाइन करने के लिए एक रोडमैप प्रदान करते हैं जहाँ विद्युत संकेतों को उच्च सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। यह कार्य इस बात का एक स्पष्ट उदाहरण है कि कैसे चुंबकत्व और इलेक्ट्रॉनों की गति के बीच की अंतःक्रिया को सॉलिड-स्टेट उपकरणों में सूचना को संसाधित करने के तरीके पर अधिक परिष्कृत नियंत्रण के लिए उपयोग किया जा सकता है।