Engineering nonlinear spin-orbit torque driven by intra-band transport in MoSe/CrI and WSe/CrI van der Waals heterostructures
यह अध्ययन प्रकट करता है कि MoSe/CrI और WSe/CrI वैन डेर वाल्स हेटरोस्ट्रक्चर में, सममिति-निषिद्ध (symmetry-forbidden) रैखिक स्पिन ध्रुवीकरण एक ट्यूनेबल, शुद्ध रूप से फील्ड-लाइक स्पिन-ऑर्बिट टॉर्क उत्पन्न करने के लिए प्रमुख तंत्र के रूप में अरैखिक इंट्राबैंड परिवहन (nonlinear intraband transport) को आवश्यक बनाता है, जो मजबूत सामग्री निर्भरता प्रदर्शित करता है और जिसे डोपिंग, ट्विस्ट कोण और विद्युत क्षेत्रों के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, बिजली के माध्यम से चुंबकीय जानकारी को नियंत्रित करने की क्षमता तेज़, छोटे और अधिक कुशल कंप्यूटर बनाने की कुंजी है। दशकों से, वैज्ञानिक चुंबकीय बिट्स को पलटने के लिए 'स्पिन-ऑर्बिट टॉर्क' नामक एक तंत्र पर भरोसा करते आए हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें आमतौर पर भारी धातुओं या मजबूत आंतरिक चुंबकीय अंतःक्रियाओं वाली विलक्षण सामग्रियों की आवश्यकता होती है। लक्ष्य हमेशा कम ऊर्जा और पतली परतों के साथ ऐसा करने का रहा है, जिससे अल्ट्रा-थिन (अति-पतले) उपकरणों में जो संभव है उसकी सीमाओं को आगे बढ़ाया जा सके। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने 'वैन डेर वाल्स हेटरोस्ट्रक्चर' के रूप में ज्ञात सामग्रियों के एक नए वर्ग की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया है। ये परमाणु रूप से पतली चादरों के ढेर हैं, जैसे कागज की परतें, जिन्हें अलग किया जा सकता है और विभिन्न संयोजनों में फिर से जोड़ा जा सकता है। एक चुंबकीय चादर को सेमीकंडक्टर (अर्धचालक) चादर के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक एक ऐसी प्रणाली बनाने की आशा करते हैं जहाँ एक विद्युत धारा अत्यधिक सटीकता के साथ चुंबकत्व को नियंत्रित कर सके। हालाँकि, एक बड़ा पहेली बना हुआ था: इन सामग्रियों के कुछ विशेष संयोजनों में, भौतिकी के मानक नियम सामान्य तरीके से होने वाले चुंबकीय बदलावों को वर्जित करते प्रतीत होते थे, जिससे वैज्ञानिक इस बात को लेकर अनिश्चित थे कि वास्तव में कौन सी प्रक्रिया इस प्रक्रिया को संचालित कर रही थी।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने क्रोमियम आयोडाइड से बनी एक चुंबकीय चादर को टंगस्टन डाइसेलेनाइड या मोलिब्डेनम डाइसेलेनाइड से बनी एक सेमीकंडक्टर चादर के ऊपर रखकर इस पहेली को सुलझा लिया है। अपने अध्ययन में, उन्होंने एक ऐसी स्थिति पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ 'राशबा स्पिन-ऑबिट कपलिंग' नामक एक विशिष्ट प्रकार की चुंबकीय अंतःक्रिया प्रभावी रूप से अनुपस्थित है। इन परिस्थितियों में, मानक रैखिक प्रतिक्रिया (लीनियर रिस्पॉन्स), जो आमतौर पर चुंबकीय टॉर्क उत्पन्न करती है, क्रिस्टल संरचना की समरूपता (सिमेट्री) द्वारा पूरी तरह से बाधित हो जाती है। एक मृत अंत के बजाय, शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रणाली एक अधिक जटिल, गैर-रैखिक (नॉन-लीनियर) प्रक्रिया पर निर्भर करती है। जब सेमीकंडक्टर परत के माध्यम से विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो यह केवल चुंबकीय प्रभाव पैदा करने के लिए इलेक्ट्रॉनों को एक सीधी रेखा में नहीं धकेलती है। इसके बजाय, विद्युत क्षेत्र स्वयं उनके ऊर्जा बैंड के भीतर इलेक्ट्रॉनों के वितरण को संशोधित करता है। इलेक्ट्रॉनों की आबादी का यह सूक्ष्म पुनर्गठन एक ऐसा स्पिन ध्रुवीकरण (स्पिन पोलराइजेशन) बनाता है जो सामान्य रैखिक स्थितियों में मौजूद नहीं होता। यह गैर-रैखिक प्रभाव प्रमुख बल बन जाता है, जो एक शुद्ध 'फील्ड-लाइक' टॉर्क उत्पन्न करता है, जिसका अर्थ है कि यह चुंबकीय दिशा को धीमा करने के बजाय उसे बगल की ओर धकेलने का कार्य करता है।
ये निष्कर्ष प्रकट करते हैं कि यह गैर-रैखिक टॉर्क कोई मामूली सुधार नहीं बल्कि एक शक्तिशाली घटना है जिसे सटीक रूप से ट्यून किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस चुंबकीय धक्के की ताकत और यहाँ तक कि इसकी दिशा भी इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि सामग्री को कैसे 'डोप' किया गया है, या क्या इसमें नकारात्मक या सकारात्मक आवेश वाहकों (चार्ज कैरियर्स) की अधिकता है। मोलिब्डेनम डाइसेलेनाइड स्टैक के मामले में, नकारात्मक रूप से डोप की गई अवस्था में उत्पन्न टॉर्क, टंगस्टन डाइसेलेनाइड की तुलना में लगभग दस गुना अधिक शक्तिशाली था। इसके अलावा, जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने रासायनिक क्षमता (केमिकल पोटेंशियल) को समायोजित किया, जो इन आवेश वाहकों के घनत्व को नियंत्रित करता है, टॉर्क की दिशा कई बार आगे-पीछे बदल गई। यह व्यवहार सामग्रियों के विशिष्ट आंतरिक गुणों, विशेष रूप से क्रिस्टल लैटिस के भीतर इलेक्ट्रॉनों के संचलन के साथ उनके स्पिन के अंतर्संबंध द्वारा संचालित होता है। अध्ययन से पता चलता है कि मोलिब्डेनम-आधारित सामग्री में एक अद्वितीय नकारात्मक अंतःक्रिया पैरामीटर है जो इन तीव्र चोटियों और उत्क्रमणों (रिवर्साल्स) का कारण बनता है, जो एक ऐसी विशेषता है जो टंगस्टन-आधारित सामग्री में नहीं है।
सामग्री के चयन के अलावा, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि चुंबकीय टॉर्क को दोनों परतों को एक-दूसरे के सापेक्ष घुमाकर (ट्विस्ट करके) और एक बाहरी विद्युत क्षेत्र लागू करके नियंत्रित किया जा सकता है। ऊपरी परत को शून्य से तीस डिग्री के कोणों के बीच घुमाकर, वे या तो टॉर्क को बढ़ा सकते थे या उसे पूरी तरह से दबा सकते थे, और कुछ मामलों में, इसकी दिशा में बदलाव भी ला सकते थे। यह घुमाव इंटरफ़ेस पर चुंबकीय वातावरण को बदल देता है, जिससे यह बदल जाता है कि परतें आपस में कैसे संवाद करती हैं। इसी तरह, एक गेट इलेक्ट्रिक फील्ड लागू करना, जो एक वोल्टेज नॉब की तरह कार्य करता है, उन्हें टॉर्क की शक्ति को लगभग एक क्रम (ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड) तक नियंत्रित करने की अनुमति देता है। कुछ विन्यासों में, केवल वोल्टेज बढ़ाने मात्र से चुंबकीय टॉर्क के चिह्न (साइन) को बदलना पर्याप्त था। ये परिणाम बताते हैं कि सही सामग्री के चुनाव के साथ संरचनात्मक ट्विस्टिंग और इलेक्ट्रिकल गेटिंग को जोड़कर, इंजीनियर अत्यधिक लचीले, अल्ट्रा-थिन उपकरण बना सकते हैं जहाँ चुंबकीय अवस्थाओं को उल्लेखनीय दक्षता और कम बिजली की खपत के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। यह कार्य स्थापित करता है कि इन विशिष्ट परमाणु स्टैक्स में, इलेक्ट्रॉनों की गैर-रैखिक गति चुंबकीय नियंत्रण के लिए केंद्रीय इंजन है, जो अगली पीढ़ी की स्पिंट्रोनिक तकनीक के लिए एक नया मार्ग प्रदान करती है।
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