Spin separation of Dirac electrons by twisted and vector optical beams

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, एक इलेक्ट्रॉन के सूक्ष्म चुंबकीय अभिविन्यास (orientation), जिसे उसका स्पिन कहा जाता है, को नियंत्रित करने की क्षमता एक अत्यंत महत्वपूर्ण लक्ष्य (holy grail) है। यह गुण डेटा को पारंपरिक विद्युत आवेशों (electrical charges) की तुलना में अधिक कुशलता से संग्रहीत और संसाधित करने की अनुमति देता है। दशकों से, वैज्ञानिक प्रकाश का उपयोग करके इन स्पिन को नियंत्रित करने का प्रयास कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि इससे तेज़, ठंडे और अधिक शक्तिशाली उपकरण बनाए जाset जा सकें। चुनौती हमेशा यह रही है कि प्रकाश तरंगें उन परमाणुओं की तुलना में अविश्वसनीय रूप से बड़ी होती हैं जिनसे वे टकराती हैं। जबकि प्रकाश की एक किरण आंखों से दिखने वाले पैमाने पर मुड़ या घूम सकती है, एक एकल इलेक्ट्रॉन के साथ इसकी अंतःक्रिया इतने छोटे स्थान में होती है कि प्रकाश एक सपाट, एकसमान चादर जैसा दिखता है। इस आकार के बेमेल होने के कारण, इलेक्ट्रॉन के स्पिन को सीधे घुमाने के लिए प्रकाश के जटिल आकारों का उपयोग करने का प्रयास बहुत अक्षम साबित हुआ है, जिससे अक्सर लगभग कोई परिणाम नहीं मिलता।

इन्स्टीट्यूट ऑफ आयोफी, सेंट पीटर्सबर्ग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस पहेली को सुलझाने का एक अलग तरीका प्रस्तावित किया है, जो प्रकाश और इलेक्ट्रॉन के बीच प्रत्यक्ष, सूक्ष्म संपर्क की आवश्यकता को दरकिनार करता है। उनका सुझाव है कि इलेक्ट्रॉन को सीधे घुमाने की कोशिश करने के बजाय, हम विशेष रूप प्रकार के प्रकाश बीमों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों का एक प्रवाह बना सकते हैं जो स्वाभाविक रूप से स्पिन के आधार पर अलग हो जाता है। कल्पना कीजिए कि एक नदी है जहाँ पानी स्वयं घूम नहीं रहा है, लेकिन किनारों को इस तरह आकार दिया गया है कि वह पानी को दो अलग धाराओं में विभाजित करने के लिए मजबूर करता है। अपने अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने प्रकाश के दो प्रकार के संरचित बीमों का उपयोग किया: "ट्विस्टेड" (twisted) बीम जो एक सर्पिल चरण (spiral phase) ले जाते हैं, और "वेक्टर" (vector) बीम जहाँ प्रकाश का कंपन बीम के आर-पार जाने पर घूमता है। महत्वपूर्ण रूप से, इनमें से कोई भी बीम सर्कुलर पोलराइजेशन (circular polarization) का उपयोग नहीं करता है जो आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों को ऊपर या नीचे घुमाता है। इसके बजाय, वे इलेक्ट्रॉनों को विपरीत दिशाओं में धकेलने के लिए स्पिन करंट उत्पन्न करने हेतु प्रकाश के स्थानिक पैटर्न (spatial pattern) पर निर्भर करते हैं।

शोधकर्ताओं ने दो-आयामी डिरैक सामग्रियों (two-dimensional Dirac materials) के एक वर्ग पर ध्यान केंद्रित किया, विशेष रूप से ट्रांजिशन मेटल डाइकलकोजेनाइड्स (transition metal dichalcogenides) की मोनोलेयर्स पर। ये पदार्थ परमाणु-पतली परतें हैं जो इलेक्ट्रॉनों के लिए एक अद्वितीय प्रकार के तरल की तरह व्यवहार करती हैं। जब इन परतों को संरचित बीमों से प्रकाशित किया जाता है, तो प्रकाश 'स्पिन करंट्स' का एक बनावट वाला पैटर्न बनाता है। ये करंट्स इलेक्ट्रॉनों का वह प्रवाह हैं जहाँ गति की दिशा उनके स्पिन से जुड़ी होती है। अध्ययन से पता चलता है कि ये करंट्स सीधी रेखा में नहीं बहते; वे फैलते हैं, यानी बीम के केंद्र से बाहर की ओर निकलते हैं। जैसे-जैसे ये करंट्स फैलते हैं, वे प्रतिरोध का सामना करते हैं और अंततः धीमे हो जाते हैं, जिसे रिलैक्सेशन (relaxation) कहा जाता है। फैलते प्रवाह और धीमे होने की इस प्रक्रिया के बीच का तालमेल इलेक्ट्रॉनों को विशिष्ट क्षेत्रों में जमा होने के लिए प्रेरित करता है, जिससे स्पिन का एक स्थिर संचय (accumulation) होता है। परिणाम स्वरूप, स्पिन घनत्व (spin density) का एक मानचित्र प्राप्त होता है जो प्रकाश बीम के जटिल पैटर्न को दर्शाता है।

यह कैसे काम करता है, इसे समझने के लिए टीम ने दो विशिष्ट परिदृश्यों को देखा। पहले में, उन्होंने ट्विस्टेड बीम का उपयोग किया जो ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम ले जाते हैं, जो प्रकाश को एक कॉर्कस्क्रू (corkscrew) जैसी संरचना देता है। दूसरे में, उन्होंने वेक्टर बीम का उपयोग किया जहाँ पोलराइजेशन, या प्रकाश तरंगों के कंपन की दिशा, केंद्र के चारों ओर घूमती है। दोनों ही मामलों में, प्रकाश स्थानीय रूप से लीनियर (linear) है, जिसका अर्थ है कि किसी भी एकल बिंदु पर, प्रकाश एक सीधी रेखा में कंपन करता है, लेकिन बीम के आर-पार जाने पर उस रेखा की दिशा बदल जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह बदलती दिशा ही मुख्य कुंजी है। यह एक स्पिन करंट उत्पन्न करता है जो इस बात पर निर्भर करता है कि पोलराइजेशन बिंदु-दर-बिंदु कैसे बदलता है। जब ये करंट्स अलग होते हैं, तो वे अलग हुए स्पिनों की एक लकीर पीछे छोड़ देते हैं। टीम ने गणना की कि यह अप्रत्यक्ष विधि इलेक्ट्रॉन के सीधे स्पिन ट्रांसफर करने के प्रयास की तुलना में काफी अधिक कुशल है, जो संभावित रूप से उस कारक से संबंधित है जिससे एक इलेक्ट्रॉन सामग्री में किसी दोष (defect) से टकराने से पहले कितनी दूर तक जाता है।

शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए विस्तृत संख्यात्मक सिमुलेशन (numerical simulations) किए कि वास्तविक सामग्रियों में ये स्पिन पैटर्न कैसे दिखेंगे। उन्होंने ट्रांजिशन मेटल डाइकलकोजेनाइड परतों से संबंधित पैरामीटर का उपयोग किया, जैसे कि 2 इलेक्ट्रॉन वोल्ट का बैंड गैप और 10 नैनोसेकंड का स्पिन रिलैक्सेशन टाइम। सिमुलेशन ने विशिष्ट स्थानिक पैटर्न प्रकट किए। ट्विस्टेड बीम के लिए, स्पिन घनत्व ने रिंग और सर्पिल (spirals) बनाए जो प्रकाश के घुमावों की संख्या पर निर्भर थे। वेक्टर बीम के लिए, पैटर्न इस बात से निर्धारित हुआ कि केंद्र के चारों ओर जाने पर पोलराइजेशन वेक्टर कितनी बार घूमता है। दिलचस्प बात यह है कि यदि पोलराइजेशन पूरी तरह से रेडियल (radial) या अज़ीमुथल (azimuthal) रूप से संरेखित था, तो कोई स्पिन पृथक्करण नहीं हुआ। हालांकि, जब पोलराइजेशन को 45-डिग्री के कोण पर सेट किया गया, तो पृथक्करण सबसे कुशल था, जिससे एक मजबूत, स्थानीयकृत स्पिन घनत्व बना। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि इन स्पिन पैटर्न का आकार केवल प्रकाश पैटर्न की प्रतिलिपि नहीं है, बल्कि यह इलेक्ट्रॉनों के डिफ्यूजन (diffusion) द्वारा सुचारू (smooth) हो जाता है, जो उनके स्पिन रिलैक्स होने से पहले कई माइक्रोमीटर तक यात्रा कर सकते हैं।

निष्कर्ष बताते हैं कि प्रकाश की जटिल ज्यामिति को इलेक्ट्रॉनों के स्पिन पर अंकित करने का एक नया तंत्र मौजूद है, जिसके लिए सर्कुलर पोलराइजेशन की आवश्यकता नहीं है। इसका अर्थ है कि प्रकाश बीम का घुमाव या उसके पोलराइजेशन की वर्टोसिटी (vorticity) को एक ठोस सामग्री में एक मूर्त चुंबकीय पैटर्न में बदला जा सकता है। शोधकर्ता उल्लेख करते हैं कि इन स्पिन टेक्सचर्स (spin textures) को फैराडे (Faraday) या केर रोटेशन (Kerr rotation) जैसी स्थापित तकनीकों का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से पहचाना जा सकता है, जो यह मापते हैं कि प्रकाश एक चुंबकीय सतह से कैसे परावर्तित होता है। हालांकि यह कार्य वर्तमान में सैद्धांतिक है और गणनाओं पर आधारित है, यह भविष्य के स्पिंट्रोनिक उपकरणों में इलेक्ट्रॉन स्पिन को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश के आकार का उपयोग करने का एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। प्रत्यक्ष स्थानांतरण के कठिन कार्य से दूर हटकर और संरचित करंट की शक्ति को अपनाकर, यह दृष्टिकोण क्वांटम सूचना के कुशल नियंत्रण की दिशा में एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।