Room-temperature ferroelectric p-wave magnet
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि मल्टीफेरोइक सामग्री BiFeO3 कमरे के तापमान पर एक बड़े गैर-सापेक्षिक स्पिन विभाजन (nonrelativistic spin splitting) के साथ फेरोइलेक्ट्रिक p-वेव चुंबकत्व प्रदर्शित करती है, जहाँ इसके अंतर्निहित साइक्लॉइडल चुंबकीय क्रम की चिरैलिटी (chirality) को नियंत्रित करके स्पिन ध्रुवीकरण को विद्युत रूप से स्विच किया जा सकता है।
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चुंबकत्व और बिजली को लंबे समय से भौतिक दुनिया में अलग-अलग बलों के रूप में माना जाता रहा है, फिर भी वे उन सामग्रियों में गहराई से जुड़े हुए हैं जिनसे हमारी तकनीक बनती है। दशकों से, वैज्ञानिक सूचनाओं को ले जाने के लिए इलेक्ट्रॉन के स्पिन—प्रत्येक परमाणु की छोटी आंतरिक चुंबकीय सुई—का उपयोग करने का प्रयास कर रहे हैं, जिसे स्पिंट्रोनिक्स के रूप में जाना जाता है। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने में थी जहाँ भारी, ऊर्जा की खपत करने वाले चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता के बिना इस स्पिन को आसानी से नियंत्रित किया जा सके। शोधकर्ताओं द्वारा हाल ही में पहचाने गए पदार्थों का एक नया वर्ग एक आशाजनक समाधान प्रदान करता है: ऐसे चुंबक जिनमें कोई शुद्ध चुंबकीय खिंचाव नहीं होता है, लेकिन फिर भी उनके पास एक शक्तिशाली, व्यवस्थित आंतरिक स्पिन संरचना होती है। ये सामग्रियां, जिन्हें 'पी-वेव मैग्नेट्स' (p-wave magnets) कहा जाता है, विशेष हैं क्योंकि उनका आंतरिक क्रम प्रकृति के एक मौलिक समरूपता (symmetry) को तोड़ता है, जिससे वे इलेक्ट्रॉन स्पिन को इस तरह विभाजित कर सकते हैं जो हमारे रोजमर्रा के उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले चुंबकों से अलग है। यदि इन सामग्रियों को चुंबकीय क्षेत्रों के बजाय बिजली से नियंत्रित किया जा सके, तो वे तेज़, अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बना सकती हैं जो बहुत कम गर्मी उत्पन्न करते हैं।
एक टीम ने अब एक ऐसे पदार्थ की पहचान की है जो कमरे के तापमान पर यह दुर्लभ व्यवहार प्रदर्शित करता है, जो व्यावहारिक उपयोग के लिए एक आवश्यक स्थिति है। वह पदार्थ बिस्मथ फेराइट (bismuth ferrite) है, एक ऐसा पदार्थ जो वैज्ञानिकों के बीच पहले से ही चुंबकीय और विद्युत रूप से ध्रुवीकृत दोनों होने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। इस विशिष्ट प्रकार के चुंबकत्व के पिछले उदाहरण केवल परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान पर पाए गए थे, लेकिन शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि बिस्मथ फेराइट सामान्य कमरे के तापमान पर स्वाभाविक रूप से आवश्यक चुंबकीय पैटर्न बनाता है। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक ऐसा स्थिर मंच प्रदान करती है जहाँ चुंबकीय अवस्था को केवल एक इलेक्ट्रिक वोल्टेज लगाकर बदला जा सकता है, एक ऐसी उपलब्धि जिसे पहले अत्यधिक ठंड या जटिल इंजीनियरिंग की आवश्यकता मानी जाती थी।
इस व्यवहार की कुंजी इस बात में निहित है कि बिस्मथ फेराइट में परमाणु अपने चुंबकीय क्षणों (magnetic moments) को कैसे व्यवस्थित करते हैं। अधिकांश चुंबकों में, परमाणुओं के छोटे आंतरिक तीर एक ही दिशा में इशारा करते हैं, जिससे एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र बनता है। हालाँकि, बिसमथ फेराइट में, ये तीर क्रिस्टल के माध्यम से चलते समय एक सर्पिल (spiral) पैटर्न में मुड़ जाते हैं। यह सर्पिल एक साधारण, दोहराव वाला लूप नहीं है; यह एक जटिल, असंगत (incommensurate) बनावट है जो सामग्री के माध्यम से यात्रा करते समय थोड़ा बदलती रहती है। यह विशिष्ट घुमावदार गति एक अनूठा वातावरण बनाती है जहाँ क्रिस्टल के माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉन अपने स्पिन दिशा के आधार पर एक मजबूत अलगाव का अनुभव करते हैं, भले ही पूरी सामग्री एक चुंबक के रूप में कार्य न करे। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह अलगाव पर्याप्त था, जिससे दोनों स्पिन अवस्थाओं के बीच लगभग 100 meV का ऊर्जा अंतर पैदा हुआ, जो इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी मान है।
यह पुष्टि करने के लिए कि यह सैद्धांतिक भविष्यवाणी वास्तविक थी, वैज्ञानिकों ने एक ऐसी तकनीक का उपयोग किया जो चुंबकीय अवस्था की जांच के लिए प्रकाश का उपयोग करती है। उन्होंने सामग्री पर गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश (circularly polarized light) की एक किरण डाली। जब इस विशिष्ट घूमने वाली गति वाला प्रकाश इलेक्ट्रॉनों से टकराता है, तो यह विद्युत धारा उत्पन्न कर सकता है यदि इलेक्ट्रॉन पहले से ही एक विशिष्ट तरीके से व्यवस्थित हों। शोधकर्ताओं ने पाया कि बिसमथ फेराइट ने इस प्रकाश के प्रति एक मजबूत धारा उत्पन्न की, और उस धारा की दिशा चुंबकीय सर्पिल की दिशा पर निर्भर थी। विभिन्न कोणों से धारा को मापकर, उन्होंने स्पिन अलगाव के ओरिएंटेशन का मानचित्र बनाया और पाया कि यह इस नए प्रकार के चुंबकत्व के लिए भविष्यवाणियों से पूरी तरह मेल खाता है। इस माप ने एक प्रत्यक्ष फिंगरप्रिंट के रूप में कार्य किया, जिससे सिद्ध हुआ कि सामग्री में पी-वेव मैग्नेट्स की विशेषता वाला विषम-समता (odd-parity) स्पिन ध्रुवीकरण मौजूद है।
इस खोज का सबसे सम्मोहक पहलू बिजली के माध्यम से चुंबकीय अवस्था को नियंत्रित करने की क्षमता है। क्योंकि बिसमथ फेराइट में घुमावदार चुंबकीय पैटर्न सामग्री के विद्युत ध्रुवीकरण से जुड़ा होता है, इसलिए विद्युत क्षेत्र को बदलने से चुंबकीय सर्पिल बदल जाता है। शोधकर्ताओं ने सामग्री पर एक मजबूत इलेक्ट्रिक पल्स लगाया, जिसने सफलतापूर्वक विद्युत ध्रुवीकरण की दिशा को बदल दिया। इस एक क्रिया ने चुंबकीय सर्पिल की 'हैंडेडनेस' (handedness) को उलट दिया, जिससे दक्षिणावर्त (clockwise) घुमाव एक वामावर्त (counter-clockwise) घुमाव में बदल गया। इसके प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में, स्पिन अलगाव की दिशा पूरी तरह से पलट गई। जब उन्होंने प्रकाश-प्रेरित धारा को फिर से मापा, तो इसने अपना चिह्न बदल लिया, और विपरीत दिशा में बहने लगी। यह परिवर्तनीय स्विचिंग कमरे के तापमान पर हुई और यह स्थिर पाई गई, जिसका अर्थ है कि सामग्री को केवल वोल्टेज का उपयोग करके दो अलग-अलग चुंबकीय अवस्थाओं के बीच टॉगल किया जा सकता है।
यह कार्य बिसमथ फेराइट को एक नए प्रकार के चुंबकत्व के लिए एक कार्यात्मक, कमरे के तापमान वाले मंच के रूप में स्थापित करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि स्पिन विभाजन परमाणुओं के बीच एक्सचेंज इंटरैक्शन द्वारा संचालित होता है, न कि अन्य सामग्रियों में पाए जाने वाले कमजोर स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग के प्रभावों द्वारा। यह सिद्ध करके कि इस अवस्था को विद्युत रूप से स्विच किया जा सकता है, यह अध्ययन स्पिंट्रोनिक उपकरणों को विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग खोलता है जो करंट के बजाय वोल्टेज द्वारा नियंत्रित होते हैं। ऐसे उपकरण बहुत कम बिजली की खपत के साथ काम कर सकते हैं, जो केवल विद्युत आवेश के बजाय इलेक्ट्रॉन स्पिन के हेरफेर पर निर्भर अधिक कुशल कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों के लिए एक संभावित मार्ग प्रदान करते हैं। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि प्रकृति में पाई जाने वाली जटिल चुंबकीय बनावटों का उपयोग उन मजबूत, नियंत्रणीय अवस्थाओं को बनाने के लिए किया जा सकता है जो पहले केवल सैद्धांतिक संभावनाएं थीं।
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