Anomalous Pressure-Enhanced Polarization in Sliding Ferroelectrics
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि, पारंपरिक फेरोइलेक्ट्रिक्स के विपरीत, हाइड्रोस्टेटिक दबाव इंटरलेयर क्षमता और चार्ज ट्रांसफर को बढ़ाकर स्लाइडिंग फेरोइलेक्ट्रिक द्विपरत बोरान नाइट्राइड के ध्रुवीकरण को बढ़ाता है, जो अल्ट्राथिन मेमोरी उपकरणों के लिए एक नया ट्यूनिंग तंत्र प्रदान करता है।
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फेरोइलेक्ट्रिसिटी (Ferroelectricity) कुछ विशेष सामग्रियों का एक गुण है जो चुंबकीय क्षेत्रों के बजाय विद्युत आवेश के लिए छोटे, स्थायी चुंबकों की तरह कार्य करती हैं। इन सामग्रियों में, धनात्मक और ऋणात्मक आवेश अलग हो जाते हैं जिससे एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है जिसे आगे और पीछे बदला जा सकता है। बदलने की यह क्षमता उन्हें आधुनिक मेमोरी उपकरणों की रीढ़ बनाती है, जिससे कंप्यूटर सूचनाओं को 'एक' (ones) और 'शून्य' (zeros) के रूप में संग्रहीत कर पाते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिक समझते थे कि ये सामग्रियां कैसे काम करती हैं: इनके भीतर के परमाणु थोड़े केंद्र से हटकर खिसक जाते थे, जिससे विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता था। भौतिकी का एक लंबे समय से चला आ रहा नियम यह था कि यदि आप अत्यधिक दबाव के साथ ऐसी सामग्री को दबाते हैं, तो आप उन परमाणु विस्थापनों को कुचल देंगे, जिससे विद्युत क्षेत्र कमजोर हो जाएगा और अंततः सामग्री को बंद कर देगा।
हालाँकि, एक नई श्रेणी की सामग्रियां उभरी हैं जो इस पुराने नियम को तोड़ती हैं। इन्हें स्लाइडिंग फेरोइलेक्ट्रिक्स (sliding ferroelectrics) कहा जाता है, जो कागज की परतों की तरह एक के ऊपर एक रखे गए परमाणुओं की अत्यंत पतली चादरों में पाई जाती हैं। इन सामग्रियों में, विद्युत क्षेत्र एक एकल परत के भीतर परमाणुओं के हिलने से नहीं, बल्कि इस बात से आता है कि परतें एक दूसरे के ऊपर कैसे रखी गई हैं। यदि आप एक परत को नीचे वाली परत के सापेक्ष थोड़ा बाएँ या दाएँ खिसकाते हैं, तो विद्युत क्षेत्र बदल जाता है। क्योंकि ये परतें मजबूत रासायनिक बंधों के बजाय कमजोर बलों द्वारा जुड़ी होती हैं, इसलिए वैज्ञानिकों ने सोचा कि क्या उन्हें दबाने पर पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में अलग व्यवहार होगा। इस प्रश्न ने शोधकर्ताओं को एक आश्चर्यजनक खोज की ओर अग्रसर किया: इन स्लाइडिंग सामग्रियों में, दबाव विद्युत क्षेत्र को बंद नहीं करता; बल्कि इसे बढ़ा देता है।
कॉर्नेल यूनिवर्सिटी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक विशिष्ट सामग्री का उपयोग किया जिसे 'रोम्बोहेड्रल बोरॉन नाइट्राइड' (rhombohedral boron nitride) के रूपೆಯ नाम से जाना जाता है। उन्होंने ग्राफीन (graphene) की एक एकल परत—जो कार्बन परमाणुओं से बनी मधुमक्खी के छत्ते जैसी संरचना वाली सामग्री है—को इस बोरॉन नाइट्राइड की दो परतों के ऊपर रखकर एक सूक्ष्म उपकरण बनाया। ग्राफीन ने एक संवेदनशील सेंसर के रूप में कार्य किया, जो नीचे की स्लाइडिंग परतों द्वारा उत्पन्न अदृश्य विद्युत क्षेत्र का पता लगाने में सक्षम था। शोधकर्ताओं ने इस नाजुक स्टैक को तेल से भरे एक विशेष कक्ष के भीतर रखा, जिसने उन्हें चारों ओर से समान दबाव डालने की अनुमति दी, जिससे पृथ्वी की पपड़ी के भीतर पाए जाने वाले अत्यधिक दबाव का अनुकरण किया जा सके।
जैसे-जैसे उन्होंने दबाव धीरे-धीरे बढ़ाया, उन्होंने देखा कि ग्राफीन ने कैसी प्रतिक्रिया दी। पुराने नियमों के अनुसार विद्युत संकेत के फीके पड़ने के बजाय, संकेत और भी मजबूत होता गया। शोधकर्ताओं ने स्लाइडिंग परतों द्वारा उत्पन्न विद्युत विभव (electric potential) को मापा और पाया कि जैसे-जैसे वे सामग्री को दबा रहे थे, परतों के बीच वोल्टेज का अंतर लगातार बढ़ता गया। जब तक वे 1.66 गीगापास्कल के दबाव तक पहुँचे, जो समुद्र तल पर वायुमंडलीय दबाव से लगभग 16,000 गुना अधिक है, विद्युत ध्रुवीकरण (electric polarization) सामान्य दबाव की तुलना में लगभग 80 प्रतिशत बढ़ गया। यह पूरी तरह से संपीड़न (compression) द्वारा संचालित, विद्युत आवेश को संग्रहीत करने की सामग्री की क्षमता में एक प्रत्यक्ष, मापने योग्य वृद्धि थी।
टीम ने यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हो रहा है, सामग्री के भीतर परमाणुओं के व्यवहार का भी अध्ययन किया। पारंपरिक फेरोइलेक्ट्रिक्स में, दबाव परमाणुओं को एक-दूसरे के करीब लाता है, जिससे उनके बीच प्रतिकर्षण बढ़ता है और वे क्षेत्र बनाने के लिए खिसकने से रुक जाते हैं। लेकिन इन स्लाइडिंग परतों में, दबाव केवल बोरॉन नाइट्राइड की दो चादरों को एक-दूसरे के करीब धकेलता है। यह कम हुआ अंतराल परतों के बीच इलेक्ट्रॉनों को अधिक मजबूती से परस्पर क्रिया करने की अनुमति देता है, जिससे विद्युत क्षेत्र बनाने वाले चार्ज ट्रांसफर (charge transfer) में प्रभावी रूप से वृद्धि होती है। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर इसकी पुष्टि की जो उनके प्रयोगात्मक परिणामों से मेल खाते थे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह प्रभाव परतों के दबने का एक स्वाभाविक परिणाम था।
इस खोज ने इस पारंपरिक धारणा को चुनौती दी है कि दबाव हमेशा फेरोइलेक्ट्रिसिटी को दबा देता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि दबाव के तहत सामग्री के आंतरिक डोमेन (domains)—वे सूक्ष्म क्षेत्र जहाँ विद्युत क्षेत्र एक विशिष्ट दिशा में होता है—अधिक जटिल हो जाते हैं, लेकिन समग्र रुझान स्पष्ट था: संपीड़न ने प्रभाव को मजबूत किया। उन्होंने यह भी देखा कि सामग्री की अपनी विद्युत अवस्था को बदलने की क्षमता मजबूत बनी रही, हालांकि दबाव ने सामग्री के कुछ हिस्सों के लिए अपनी दिशा बदलने में थोड़ी कठिनाई पैदा की। यह सुझाव देता है कि जबकि मौलिक विद्युत क्षेत्र मजबूत होता है, परतों की भौतिक गति को आसपास के वातावरण से अधिक प्रतिरोध का सामना करना पड़ सकता है।
इस खोज के निहितार्थ केवल एक नए भौतिक घटना को समझने तक ही सीमित नहीं हैं। क्योंकि दबाव के तहत विद्युत क्षेत्र मजबूत हो जाता है, यह भविष्य के मेमोरी उपकरणों के लिए इन सामग्रियों को ट्यून करने का एक नया तरीका सुझाता है। यदि इंजीनियर इन परतों को स्थानीय रूप से संकुचित करने के तरीके खोज लेते हैं, शायद आसपास की सामग्रियों से तनाव का उपयोग करके, तो वे ऐसे मेमोरी बिट्स बना सकते हैं जिन्हें पढ़ना आसान हो और जो एक-दूसरे से अधिक स्पष्ट हों। शोधकर्ताओं का प्रस्ताव है कि यह दबाव-वर्धित प्रभाव स्लाइडिंग फेरोइलेक्ट्रिक्स की एक सार्वभौमिक विशेषता हो सकती है, जो उन इलेक्ट्रॉनिक घटकों को डिजाइन करने का मार्ग खोलती है जो उनके कार्य को बेहतर बनाने के लिए केवल दबाने की सरल क्रिया पर निर्भर करते हैं। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि केवल यह देखकर कि उनके परमाणु कैसे खिसकते हैं, न कि केवल यह देखकर कि उनके परमाणु कैसे शिफ्ट होते हैं, वैज्ञानिकों को बिजली को नियंत्रित करने के बिल्कुल नए तरीके मिल सकते हैं।
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