Sub-20 nm spin textures with arbitrary topological charge stabilized by higher-order interactions

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की सूक्ष्म दुनिया में, वैज्ञानिक सूचनाओं को अधिक कुशलता से संग्रहीत और स्थानांतरित करने के तरीकों की निरंतर खोज कर रहे हैं। एक आशाजनक मार्ग सूक्ष्म, स्थिर चुंबकीय भंवरों से बना है जिन्हें 'स्किमियॉन' (skyrmions) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि एक चुंबकीय क्षेत्र एक समान चादर नहीं है, बल्कि छोटे, आत्मनिर्भर भंवरों का एक संग्रह है। प्रत्येक भंवर एक विशिष्ट "आवेश" (charge) वहन करता है, जो एक संख्या है जो इसकी संरचना और इसके व्यवहार को परिभाषित करती है। वर्षों से, शोधकर्ताओं ने एक या ऋण एक के आवेश वाले इन भंवरों को बनाने पर ध्यान केंद्रित किया है। हालाँकि, एक नया क्षितिज खुला है: बहुत बड़े आवेश वाले भंवरों का निर्माण करना। ये उच्च-आवेश वाली संरचनाएं कम स्थान में अधिक डेटा रख सकती हैं, लेकिन उन्हें बनाना और स्थिर रखना बेहद कठिन रहा है, जिसके लिए अक्सर विशाल आकार या जटिल, कृत्रिम सेटअप की आवश्यकता होती है जिन्हें बनाना कठिन होता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन जटिल चुंबकीय आकृतियों को व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त छोटे पैमाने पर उत्पन्न करने और स्थिर करने का एक तरीका बताया है। एक विशिष्ट प्रकार के द्वि-आयामी चुंबकीय पदार्थ का अनुकरण (simulation) करके, उन्होंने खोजा कि इस सामग्री के परमाणुओं के भीतर एक पहले से अनदेखा किया गया बल ही इन जटिल संरचनाओं को एक साथ थामे रखने की कुंजी है। उनका कार्य बताता है कि यह दो से पांच तक के आवेश वाले चुंबकीय भंवरों को बनाने में सक्षम है, और वह भी बीस नैनोमीटर से कम आकार में। यह निष्कर्ष इस लंबे समय से चले आ रहे विश्वास को चुनौती देता है कि ऐसी जटिल आकृतियों के लिए विशिष्ट, अक्सर अस्थिर स्थितियों की आवश्यकता होती है, और इसके बजाय यह संकेत देता है कि कुछ सामग्रियों के भीतर एक प्राकृतिक अंतःक्रिया इन्हें सहारा दे सकती है।

शोधकर्ताओं ने 'जेनस मोनोलेयर' (Janus monolayer) नामक एक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो मैंगनीज, फास्फोरस, क्लोरीन और आयोडीन परमाणुओं की एक एकल परत है जो एक त्रिकोणीय पैटर्न में व्यवस्थित है। हालांकि इस सामग्री का पहले भी अध्ययन किया जा चुका है, इस टीम ने परमाणुओं के बीच कार्य करने वाले बलों का अधिक बारीकी से अवलोकन किया। मानक मॉडल आमतौर पर इस बात का लेखा-जोखा रखते हैं कि पड़ोसी परमाणु अपने चुंबकीय स्पिन को कैसे संरेखित करते हैं, लेकिन इस टीम ने एक अधिक जटिल अंतःक्रिया को शामिल किया जिसे 'उच्च-क्रम अंतःक्रिया' (higher-order interaction) कहा जाता है। यह बल केवल जोड़ों के बजाय चार परमाणुओं के समूहों के एक साथ कार्य करने से संबंधित है। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने मानचित्रित किया कि ये परमाणु विभिन्न परिस्थितियों में कैसे व्यवहार करेंगे।

परिणाम चौंकाने वाले थे। जब टीम ने इन चार-परमाणु अंतःक्रियाओं को अपने मॉडल में शामिल किया, तो सामग्री ने स्वतः ही उच्च आवेश वाले स्थिर चुंबकीय भंवरों का निर्माण किया। उन्होंने ऐसी आकृतियाँ देखीं जो स्किमियॉन्स के छल्ले जैसी थीं, जहाँ कई भंवर एक वृत्त बनाते थे, और "थैलियाँ" (bags) जहाँ छोटे भंवर एक बड़े बाहरी छल्ले के भीतर फंसे हुए थे। ये संरचनाएं उल्लेखनीय रूप से छोटी थीं, जिनका व्यास लगभग एक से आठ नैनोमीटर के बीच था, जो अगली पीढ़ी के उपकरणों के लिए आवश्यक बीस-नैनोमीटर की सीमा से काफी नीचे है। महत्वपूर्ण रूप से, ये आकृतियाँ एक काफी कम बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव के साथ भी स्थिर रहीं, जो ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक आवश्यक विशेषता है।

इन संरचनाओं के स्थिर रहने के संबंध में सबसे महत्वपूर्ण खोज यह थी कि वे कैसे बरकरार रहीं। शोधकर्ताओं ने पाया कि चार-परमाणु अंतःक्रिया एक 'स्थिरीकरण गोंद' (stabilizing glue) के रूप में कार्य करती है। इसके बिना, जटिल आकृतियाँ जल्दी ही एक सरल, समान चुंबकीय अवस्था में ढह जातीं। इस अंतःक्रिया ने एक प्रकार का आंतरिक तनाव पैदा करके काम किया जो समतल, समान पैटर्न के बजाय घूमते हुए, गैर-समान पैटर्न को प्राथमिकता देता था। यह इतनी प्रभावी थी कि यह इन आकृतियों को तब भी स्थिर कर सकती थी जब सामग्री का सामान्य 'काइरल बल' (chiral force), जिसे डज़ालोसिनोमोरी इंटरेक्शन (DMI) कहा जाता है, इसकी प्राकृतिक शक्ति के केवल 5% तक कम हो गया था। इसका अर्थ यह है कि सममित संरचनाओं वाली सामग्रियां, जिन्हें पहले ऐसे कार्यों के लिए अनुपयुक्त माना जाता था, संभावित रूप से इन जटिल बनावटों को धारण कर सकती हैं, बशर्ते कि यह विशिष्ट उच्च-क्रम अंतःक्रिया पर्याप्त रूप से मजबूत हो।

टीम ने यह भी जांचा कि ये उच्च-आवेश वाली संरचनाएं अंततः कैसे गायब होती हैं, जिसे 'पतन' (collapse) की प्रक्रिया कहा जाता है। उन्होंने पाया कि इन आकृतियों के टूटने का तरीका इस बात पर निर्भर करता है कि उनका आवेश सम (even) है या विषम (odd)। सम आवेश वाली आकृतियों के लिए, पतन एक विशिष्ट तंत्र के माध्यम से होता है जहाँ भंवर का एक छोटा हिस्सा स्थानीय रूप से अपनी दिशा उलट देता है। विषम आवेश वाली आकृतियों के लिए, एक अलग प्रक्रिया होती है: मुख्य संरचना से एक छोटा, अलग भंवर टूटकर निकलता है और एक इकाई आवेश लेकर चला जाता है, इससे पहले कि शेष आकृति ढह जाए। दो अलग-अलग क्षय मार्गों (decay pathways) की यह खोज, जिसकी पहले रिपोर्ट नहीं की गई थी, इन चुंबकीय बनावटों की स्थिरता सीमाओं के बारे में गहरी समझ प्रदान करती है।

अध्ययन में इन आकृतियों को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा और उन्हें नष्ट करने के लिए आवश्यक ऊर्जा का भी अवलोकन किया गया। सिमुलेशन ने दिखाया कि चार-परमाणु अंतःक्रिया ने संरचनाओं को ढहाने के लिए आवश्यक ऊर्जा अवरोध (energy barrier) को काफी बढ़ा दिया, जिससे वे तापीय उतार-चढ़ाव के विरुद्ध बहुत अधिक मजबूत हो गईं। हालांकि इन भंवरों के आकार पर इस अंतःक्रिया का प्रभाव बहुत कम रहा, लेकिन उनकी स्थिरता नाटकीय रूप से बढ़ गई। यह सुझाव देता है कि इन उच्च-क्रम अंतःक्रियाओं की शक्ति को ट्यून करके, वैज्ञानिक संभावित रूप से ऐसी सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो कमरे के तापमान पर स्थिर, उच्च-आवेश वाली चुंबकीय अवस्थाओं को धारण कर सकें।

शोधकर्ताओं ने पहचान की कि इस स्थिरता की कुंजी जेनस मोनोलेयर में परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था में निहित है, जो स्वाभाविक रूप से एक मजबूत चार-परमाणु अंतःक्रिया उत्पन्न करती है। उन्होंने उल्लेख किया कि जबकि उनके सिमुलेशन ने एक विशिष्ट सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन उनके द्वारा खोजे गए सिद्धांत समान सामग्रियों के एक व्यापक परिवार पर लागू हो सकते हैं। यह उन नई सामग्रियों की खोज का द्वार खोलता है जिनमें स्वाभाविक रूप से ये मजबूत अंतःक्रियाएं मौजूद हैं, बजाय इसके कि उन्हें कृत्रिम रूप से इंजीनियर किया जाए। इन छोटे, स्थिर पैकेज में उच्च-आवेश वाली अवस्थाओं को बनाने और नियंत्रित करने की क्षमता सूचना को संग्रहीत और संसाधित करने के तरीके में क्रांति ला सकती है, जो वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ की तुलना में तेज़, सघन और अधिक ऊर्जा-कुशल उपकरणों की ओर एक मार्ग प्रदान करती है।

चुंबकीय अनुसंधान के व्यापक संदर्भ में, यह कार्य ध्यान को बाहरी क्षेत्रों या जटिल परतों पर निर्भर करने के बजाय सामग्री के भीतर की अंतर्निहित क्वांटम शक्तियों का उपयोग करने की ओर स्थानांतरित करता है। यह प्रदर्शित करके कि उच्च-क्रम अंतःक्रियाएं जटिल टोपोलॉजिकल बनावटों को स्थिर कर सकती हैं, यह अध्ययन सामग्री डिजाइन के लिए एक नया ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि स्पिंट्रोनिक्स (spintronics) का भविष्य बाहर से अधिक जटिल संरचनाएं बनाने में नहीं, बल्कि भीतर से परमाणुओं के सूक्ष्म, सामूहिक व्यवहारों को समझने और उनका लाभ उठाने में निहित है। इस अध्ययन द्वारा की गई भविष्यवाणियां प्रायोगिक सत्यापन की प्रतीक्षा कर रही हैं, लेकिन वे एक सम्मोहक दृष्टि प्रस्तुत करती हैं कि क्या संभव है जब हम चुंबकीय अंतःक्रिया के मानक नियमों से परे देखते हैं।