Demonstration of ultrafast coherent sub-picosecond magnon pulses
यह शोध पत्र टेराहर्ट्ज़ स्पिन-ऑर्बिट टॉर्क का उपयोग करके अल्टरमैग्नेटिक इंसुलेटर -FeO में सुसंगत, सब-पिकोसेकंड मैग्नॉन पल्स के सृजन और बैलिस्टिक प्रसार को प्रदर्शित करता है, जो अल्ट्राफास्ट मैग्ोनिक्स के लिए एक नया मंच और चुंबकीय फैलाव संबंधों (मैग्नेटिक डिस्पर्शन रिलेशंस) की जांच करने के लिए एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन विधि स्थापित करता है।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, सूचना इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के रूप में यात्रा करती है, जो कि नन्हे आवेशित कण हैं जो तारों और चिप्स के माध्यम से तेजी से गुजरते हैं। जबकि यह प्रणाली हमारे उपकरणों को शक्ति प्रदान करती है, इसकी एक मौलिक सीमा है: इलेक्ट्रॉनों की गति ऊष्मा उत्पन्न करती है और महत्वपूर्ण ऊर्जा की खपत करती है। वैज्ञानिक अब एक तेज़, ठंडे विकल्प की तलाश कर रहे हैं जो पूरी तरह से विद्युत आवेश पर निर्भर नहीं है। इलेक्ट्रॉनों को हिलाने के बजाय, वे 'मैग्नॉन' (magnon) का उपयोग करने का प्रस्ताव देते हैं। मैग्नॉन किसी पदार्थ के चुंबकीय क्रम में एक लहर है, घूमते हुए परमाणुओं की एक सामूहिक तरंग जो चार्ज को हिलाने की भारी ऊर्जा लागत के बिना सूचना ले जा सकती है। इस विचार को हाई-स्पीड कंप्यूटिंग के लिए सफल होने के लिए, इन चुंबकीय लहरों को अविश्वसनीय रूप से तेज़ होना चाहिए, जो एक सेकंड में खरबों बार चालू और बंद होने वाली छोटी, तीखी लहरों (bursts) के रूप में चल सकें। हालाँकि, ऐसी छोटी लहरें उत्पन्न करना एक बड़ी बाधा रही है। आमतौर पर, जब वैज्ञानिक इन चुंबकीय तरंगों को उत्पन्न करने की कोशिश करते हैं, तो वे लंबी, धुंधली तरंगें प्राप्त करते हैं जो तुरंत फैल जाती हैं और अपना आकार खो देती हैं, जिससे वे सटीक, उच्च गति वाले लॉजिक के लिए बेकार हो जाती हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को दूर करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है, जिसमें ऐसी चुंबकीय तरंगें (pulses) उत्पन्न की गई हैं जो एक ट्रिलियनवें सेकंड से भी कम समय की हैं और बिना अपना रूप खोए आश्चर्यजनक दूरी तक यात्रा कर सकती हैं। एक विशिष्ट प्रकार के चुंबकीय पदार्थ, जिसे इंसुलेटर (अचालक) कहा जाता है—जो बिजली का संचालन नहीं करता—के साथ काम करते हुए, वैज्ञानिकों ने एक चुंबकीय तरंग को शुरू करने के लिए टेराहर्ट्ज़ (terahertz) विकिरण के एक पल्स का उपयोग किया। यह पदार्थ, जो आयरन ऑक्साइड का एक रूप है, एक अनूठी आंतरिक संरचना रखता है जहाँ चुंबकीय स्पिन इस तरह व्यवस्थित होती है कि वे इन तरंगों की बहुत तेज़, रैखिक गति की अनुमति देती है। इस चुंबकीय पदार्थ के ऊपर प्लैटिनम की एक पतली परत रखकर, शोधकर्ता टेराहर्ट्ज़ पल्स के इलेक्ट्रिक फील्ड का उपयोग करके इंटरफेस पर 'स्पिन' के प्रवाह को बना सके। इस प्रवाह ने एक सटीक हथौड़े की तरह काम किया, जिसने चुंबकीय पदार्थ पर प्रहार करके मैग्नॉन की एक एकल, सुसंगत (coherent) लहर को लॉन्च किया।
प्रयोग से पता चला कि ये पल्स उल्लेखनीय रूप से सुव्यवस्थित थे। वे 23 नैनोमीटर प्रति पिकोसेकंड की निरंतर गति से चुंबकीय परत के माध्यम से यात्रा करते थे, और चलते समय अपने तीखे, सब-पिकोसेकंड आकार को बनाए रखते थे। शोधकर्ताओं ने देखा कि ये पल्स एक पतली परत के भीतर आगे-पीछे उछल रहे थे, जैसे एक गलियारे में गेंद आगे-पीछे लुढ़क रही हो, और उन्होंने उच्च सटीकता के साथ वापस आने वाली तरंगों का पता लगाया। इस खोज को जो बात महत्वपूर्ण बनाती है वह यह थी कि ये पल्स यात्रा के दौरान फैले या धुंधले नहीं हुए, जिसे 'डिस्पर्शन' (dispersion) कहा जाता है, जो आमतौर पर तरंग द्वारा ले जा रही सूचना को नष्ट कर देता है। इसके बजाय, पल्स सुगठित और स्पष्ट बने रहे, और 160 नैनोमीटर की दूरी तक 'बैलिस्टिकली' (ballistically) यात्रा की। यह दूरी उन अन्य प्रकार की चुंबकीय तरंगों की तुलना में बहुत अधिक है, जो आमतौर पर कुछ दस नैनोमीटर के बाद ही फीकी पड़ जाती हैं। टीम ने पाया कि पल्स ने अपना आकार बनाए रखा और कोणीय संवेग (angular momentum) को भी वहन किया, जो वह भौतिक गुण है जो उन्हें चुंबकीय पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया करने की अनुमति देता है, जिससे यह सिद्ध हुआ कि पूरी यात्रा के दौरान सूचना सुरक्षित थी।
यह पुष्टि करने के लिए कि ये वास्तव में सुसंगत, संगठित तरंगें थीं और केवल यादृच्छिक थर्मल शोर (thermal noise) नहीं, शोधकर्ताओं ने चुंबकीय परत की मोटाई को बदला और पल्स के वापस आने में लगने वाले समय को मापा। उन्होंने एक सीधा, रैखिक संबंध पाया: परत जितनी मोटी होगी, पल्स को वापस आने में उतना ही अधिक समय लगेगा, जैसा कि एक निरंतर गति से यात्रा करने वाली तरंग के लिए अपेक्षित है। उन्होंने विभिन्न तापमानों पर भी सिस्टम का परीक्षण किया और पाया कि सिग्नल स्थिर रहा, जिससे इस संभावना की भी खारिज हो गई कि यह प्रभाव यादृच्छिक ऊष्मा उतार-चढ़ाव के कारण था। वापस आने वाले पल्स के समय और आकार का विश्लेषण करके, टीम ने यह मानचित्रित करने में सफलता पाई कि तरंगों की गति उनकी तरंग दैर्ध्य (wavelength) के साथ कैसे बदलती है, जिससे पुष्टि हुई कि यह पदार्थ अल्ट्राफास्ट कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक विशिष्ट प्रकार की रैखिक तरंग व्यवहार का समर्थन करता है।
यह कार्य टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर संचालित होने वाले चुंबकीय सर्किट बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग स्थापित करता है, जो वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक प्रोसेसरों की तुलना में कई गुना तेज़ हैं। इन अत्यंत लघु, गैर-बिखराव (non-dispersive) पल्स को लॉन्च करने और पहचानने की क्षमता यह सुझाव देती है कि प्रयोग में उपयोग किया गया पदार्थ, हेमाटाइट (hematite), भविष्य के सूचना प्रसंस्करण के लिए एक आधारभूत मंच के रूप में कार्य कर सकता है। शोधकर्ताओं द्वारा विकसित विधि वैज्ञानिकों को टेबलटॉप सेटअप के साथ अत्यधिक उच्च गति और कम दूरी पर चुंबकीय तरंगों के व्यवहार की जांच करने की अनुमति देकर चुंबकीय पदार्थों का अध्ययन करने का एक नया तरीका भी प्रदान करती है। यह सिद्ध करके कि चुंबकीय पल्स न केवल अविश्वसनीय रूप से तेज़ हो सकते हैं बल्कि लंबे समय तक अपना आकार बनाए रख सकते हैं, यह अध्ययन उस महत्वपूर्ण बाधा को हटा देता है जिसने लंबे समय से 'ऑल-मैग्नॉन लॉजिक डिवाइसेस' की वास्तविकता को साकार करने से रोका था, जिससे ऊर्जा-कुशल, अल्ट्राफास्ट कंप्यूटिंग का दृष्टिकोण वास्तविकता के एक कदम और करीब आ गया है।
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