Switching Anomalous Hall and Nernst Responses by Nonmagnetic N Occupation at Fixed Noncoplanar Mn Antiferromagnetic Order

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करना आमतौर पर चुंबकत्व (मैग्नेटिज्म) को प्रबंधित करने का मामला होता है। अधिकांश उपकरण फेरोमैग्नेट्स (लौहचुंबकीय पदार्थों) पर निर्भर करते हैं, जो लोहे जैसे पदार्थ हैं जिनमें एक मजबूत, एकीकृत चुंबकीय खिंचाव होता है ताकि वे इलेक्ट्रॉनों को निर्देशित कर सकें। हालाँकि, एंटीफेरोमैग्नेट्स नामक सामग्रियों का एक अलग वर्ग एक लुभावना विकल्प प्रदान करता है। इन पदार्थों में, परमाणुओं के सूक्ष्म चुंबकीय क्षण (मोमेंट्स) विपरीत दिशाओं में संकेत करते हैं, जिससे वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं और इस प्रकार सामग्री में कोई शुद्ध चुंबकीय खिंचाव नहीं रहता। यह उन्हें बाहरी चुंबकों के प्रति अदृश्य और हस्तक्षेप के प्रति प्रतिरोधी बनाता है, जबकि साथ ही उन्हें अविश्वसनीय रूप से तेज़ आंतरिक स्विचिंग गति की अनुमति देता है। दशकों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि क्योंकि इन सामग्रियों में कोई शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता, इसलिए वे कुछ उपयोगी विद्युत प्रभावों को उत्पन्न नहीं कर सकते जिनके लिए आमतौर पर चुंबकत्व की आवश्यकता होती है। हालिया खोजों ने इस दृष्टिकोण को चुनौती दी है, जिससे पता चला है कि यदि आंतरिक चुंबकीय व्यवस्था पर्याप्त जटिल है, तो ये "अदृश्य" चुंबक अभी भी पार्श्व में बहने वाली विद्युत धाराएं उत्पन्न कर सकते हैं, जिसे असामान्य हॉल प्रभाव (anomalous Hall effect) के रूप में जाना जाता है। अब बड़ा सवाल यह है कि इस प्रभाव को भौतिक रूप से चुंबकीय संरचना को घुमाए बिना कैसे चालू और बंद किया जाए, जो कि करना कठिन है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन विद्युत प्रतिक्रियाओं को केवल यह बदलकर चालू और बंद करने का तरीका खोज निकाला है कि क्रिस्टल लैटिस के खाली स्थानों में कौन से परमाणु स्थित हैं, जिससे चुंबकीय संरचना को पूरी तरह से अछूता छोड़ दिया जाता है। उन्होंने मैंगनीज-आधारित क्रिस्टल के एक विशिष्ट परिवार पर ध्यान केंद्रित किया। मैंगनीज परमाणुओं से बने एक कठोर, त्रि-आयामी ग्रिड की कल्पना करें, जो एक जटिल, गैर-समतल पैटर्न में व्यवस्थित है जहाँ चुंबकीय दिशाएँ पहिये की तीलियों की तरह तल के अंदर और बाहर की ओर संकेत करती हैं। यह चुंबकीय व्यवस्था वह इंजन है जो विद्युत प्रभावों को संचालित करती है। शोधकर्ताओं ने इस ग्रिड के तीन अलग-अलग संस्करणों का उपयोग करके सिमुलेशन की एक नियंत्रित श्रृंखला बनाई: एक जिसमें कोई अतिरिक्त परमाणु नहीं थे, एक जिसमें नाइट्रोजन परमाणुओं की एक विशिष्ट मात्रा ने अंतराल को भरा था, और एक जिसमें नाइट्रोजन की एक पूरी परत थी। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि तीनों संस्करणों का आकार और सटीक चुंबकीय व्यवस्था बिल्कुल समान हो। एकमात्र अंतर यह था कि क्रिस्टल संरचना के भीतर खाली स्थानों में कितने नाइट्रोजन परमाणु मौजूद थे।

परिणामों ने एक आश्चर्यजनक और सटीक नियंत्रण तंत्र का खुलासा किया। जब नाइट्रोजन परमाणु अनुपस्थित थे, तो विद्युत प्रतिक्रिया शून्य थी। जब नाइट्रोजन परमाणुओं को विशिष्ट अंतरालों को भरने के लिए जोड़ा गया, तो विद्युत प्रतिक्रिया अचानक प्रकट हुई और एक महत्वपूर्ण शक्ति तक पहुँच गई। जब नाइट्रोजन परमाणुओं को और अधिक जोड़कर हर संभव अंतराल को भर दिया गया, तो विद्युत प्रतिक्रिया फिर से गायब हो गई। इसने एक विशिष्ट "शून्य, फिर परिमित, फिर शून्य" का पैटर्न बनाया। शोधकर्ताओं ने पाया कि नाइट्रोजन परमाणु एक सममिति स्विच (symmetry switch) के रूप में कार्य करते हैं। खाली और पूरी तरह से भरे हुए अवस्थाओं में, क्रिस्टल में उच्च स्तर की सममिति होती है जो सामग्री के विभिन्न हिस्सों से होने वाले विद्युत योगदान को पूरी तरह से रद्द करने के लिए मजबूर करती है, जैसे दो लोग एक रस्सी को विपरीत दिशाओं में समान बल के साथ खींच रहे हों, जिससे रस्सी स्थिर रहती है। हालाँकि, मध्यवर्ती अवस्था में, नाइट्रोजन परमाणु इस सममिति को पर्याप्त रूप से तोड़ देते हैं ताकि रद्दीकरण रुक सके, जिससे एक शुद्ध विद्युत धारा प्रवाहित हो सके।

अध्ययन ने दिखाया कि इस मध्यवर्ती अवस्था में, सामग्री ने एक विशिष्ट विद्युत चालकता -126 S/cm और एक तापीय वोल्टेज प्रतिक्रिया 0.7 7 V/mK उत्पन्न की। ये संख्याएँ एक मजबूत संकेत का प्रतिनिधित्व करती हैं जिसे तकनीक के लिए उपयोग किया जा सकता है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि चुंबकीय क्रम स्वयं कभी नहीं बदला; मैंगनीज परमाणुओं ने पूरे प्रयोग के दौरान एक ही दिशा में संकेत बनाए रखा। इसके बजाय, गैर-चुंबकीय नाइट्रोजन परमाणुओं ने क्रिस्टल की ज्यामिति के नियमों को बदल दिया। विशिष्ट स्थानों को घेरकर, उन्होंने उन घूर्णी सममितिों (rotational symmetries) को हटा दिया जो पहले विद्युत प्रभावों को रद्द करने के लिए मजबूर करती थीं, जबकि व्युत्क्रमण सममिति (inversion symmetry) को बरकरार रखा। इसने अंतर्निहित चुंबकीय जटिलता को अंततः एक मापने योग्य विद्युत संकेत के रूप में व्यक्त करने की अनुमति दी।

यह कार्य स्थापित करता है कि गैर-चुंबकीय परमाणु संतुलित एंटीफेरोमैग्नेट्स में इलेक्ट्रॉनिक परिवहन के लिए एक स्वतंत्र नियंत्रण नॉब के रूप में कार्य कर सकते हैं। यह सिद्ध करता है कि आपको इन प्रभावों को चालू या बंद करने के लिए चुंबकीय स्पिन को पुन: उन्मुख करने की आवश्यकता नहीं है; आपको केवल क्रिस्टलोग्राफिक रिक्त स्थानों के अधिभोग (occupation) को समायोजित करने की आवश्यकता है। यह खोज भविष्य के स्पिंट्रोनिक उपकरणों को डिजाइन करने के लिए एक नया मार्ग खोलती है, जहाँ सूचना के प्रवाह को भारी चुंबकीय क्षेत्रों के बजाय परमाणु संरचना में सूक्ष्म परिवर्तनों द्वारा टॉगल किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि केवल गैर-चुंबकीय परमाणुओं की उपस्थिति ही प्रतिक्रिया की गारंटी देने के लिए पर्याप्त नहीं है; यह वह विशिष्ट तरीका है जिससे वे क्रिस्टल की सममिति को तोड़ते हैं, जो यह निर्धारित करता है कि विद्युत धारा प्रवाहित हो सकती है या नहीं। सावधानीपूर्वक सैद्धांतिक मॉडलिंग के माध्यम से इस प्रभाव को अलग करके, अध्ययन यह स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि कैसे ऐसी सामग्रियों को इंजीनियर किया जाए जो चुंबकीय रूप से शांत और विद्युत रूप से सक्रिय दोनों हों।