Hidden Spin-Valley Hall Effect and Gate-Switchable Electric Hall Effect in 2D Altermagnets

सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से बिना गर्मी या चुंबकीय हस्तक्षेप उत्पन्न किए सूचना के प्रवाह को नियंत्रित करने के तरीकों की खोज कर रहे हैं। इस क्षेत्र में एक प्रमुख सफलता 'अल्टर्माग्नेट्स' (altermagnets) नामक चुंबकीय सामग्रियों के एक नए वर्ग की खोज के साथ आई। ये सामग्रियां अद्वितीय हैं क्योंकि इनमें दो विपरीत प्रकार के चुंबकों की सर्वोत्तम विशेषताएं मौजूद हैं। आपके रेफ्रिजरेटर से चिपकने वाले पारंपरिक चुंबकों की तरह, इनमें इलेक्ट्रॉन अपने 'स्पिन' द्वारा वर्गीकृत होते हैं, जो एक मौलिक गुण है जिसे एक छोटे आंतरिक कंपास के रूप में सोचा जा सकता है जो या तो ऊपर या नीचे की ओर संकेत करता है। हालांकि, उन साधारण चुंबकों के विपरीत, अल्टर्माग्नेट्स अपने आंतरिक कंपासों को इतनी पूर्णता से व्यवस्थित करते हैं कि वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिससे आसपास के इलेक्ट्रॉनिक्स में हस्तक्षेप करने के लिए कोई शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र नहीं बचता। यह उन्हें तेज़ और अधिक कुशल उपकरण बनाने के लिए आदर्श बनाता है। फिर भी, यह पूर्ण रद्दीकरण एक पहेली पैदा करता है: जबकि सामग्री गतिशील, स्पिन-ध्रुवीकृत इलेक्ट्रॉनों से भरी होती है, वह समग्र विद्युत संकेत जिसे शोधकर्ता आमतौर पर चुंबकत्व का पता लगाने के लिए मापते हैं, गायब हो जाता है। यह वैसा ही है जैसे लोगों की एक भीड़ समान गति से विपरीत दिशाओं में चल रही हो; दूर से देखने पर भीड़ स्थिर दिखाई देती है, भले ही हर व्यक्ति जोश के साथ चल रहा हो।

बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस छिपी हुई गति को प्रकट करने और इसे एक उपयोगी संकेत में बदलने का तरीका खोज लिया है। उन्होंने पाया कि कुछ द्वि-आयामी (two-dimensional) अल्टर्माग्नेट्स में, इलेक्ट्रॉनों की छिपी हुई गति ऊर्जा परिदृश्य के विशिष्ट स्थानों, जिन्हें 'वैलीज़' (valleys) कहा जाता है, और इस बात से जुड़ी होती है कि इलेक्ट्रॉन सामग्री के किस तरफ रहना पसंद करते हैं। एक साधारण गेट से विद्युत क्षेत्र (electric field) लागू करके, जो ट्रांजिस्टर को चालू या बंद करने के लिए उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज के समान है, वे इस संतुलन को बिगाड़ सकते हैं। यह विद्युत क्षेत्र उस पूर्ण समरूपता (symmetry) को तोड़ देता है जो संकेत को छिपा रही थी, जिससे इलेक्ट्रॉनों का एक समूह दूसरे पर हावी हो जाता है। परिणाम एक स्विच करने योग्य विद्युत प्रभाव है जहाँ करंट की दिशा को केवल वोल्टेज की ध्रुवीयता (polarity) को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है। यह खोज, जो उनके हालिया कार्य में विस्तृत है, ऐसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग सुझाती है जिन्हें पूरी तरह से बिजली द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है, बाहरी चुंबकों की आवश्यकता के बिना, जो उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग और उन्नत ऑप्टिकल सेंसरों के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।

शोधकर्ताओं ने इन चुंबकीय सामग्रियों को नियंत्रित करने वाले सैद्धांतिक नियमों को बारीकी से देखना शुरू किया। उन्होंने महसूस किया कि इन अल्टर्माग्नेट्स में कुल विद्युत धारा शून्य है क्योंकि ऊपर की ओर घूमने वाले और नीचे की ओर घूमने वाले इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, लेकिन व्यक्तिगत धाराएं बहुत सक्रिय हैं। विशिष्ट सामग्रियों में, ये इलेक्ट्रॉन ऊर्जा संरचना के विभिन्न "वैलीज़" और परमाणु शीट की विभिन्न परतों से भी बंधे होते हैं। टीम ने इन सभी चुंबकीय क्रिस्टल के संभावित व्यवस्थाओं को स्कैन करने के लिए एक वर्गीकरण प्रणाली विकसित की। 158 अलग-अलग सैद्धांतिक संरचनाओं में से, उन्होंने उन 32 की पहचान की जिनमें इलेक्ट्रॉन स्पिन, वैली स्थान और लेयर स्थिति को एक साथ जोड़ने के लिए आवश्यक गुणों का विशिष्ट संयोजन मौजूद है। यह लिंक, जिसे वे 'स्पिन-वैली-लेयर कपलिंग' कहते हैं, वह कुंजी है जो एक बाहरी विद्युत क्षेत्र को एक मास्टर स्विच के रूप में कार्य करने की अनुमति देती है।

इस अवधारणा को सिद्ध करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 'मोनोलेयर Mg2Os2(SO5)2' नामक एक विशिष्ट सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया। क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने इस परमाणुओं की एकल परत के व्यवहार का मॉडल तैयार किया। उनके मॉडल में, सामग्री एक ऐसी अवस्था में है जहाँ इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से संतुलित हैं, और कोई शुद्ध 'इलेक्ट्रिकल हॉल इफेक्ट' नहीं पाया जाता है। हालांकि, जब उन्होंने एक लंबवत विद्युत क्षेत्र (perpendicular electric field) लगाया, तो संतुलन बिगड़ गया। इस क्षेत्र ने एक वैली के इलेक्ट्रॉनों को उच्च ऊर्जा अवस्था की ओर धकेला जबकि दूसरी वैली के इलेक्ट्रॉनों को निम्न ऊर्जा अवस्था की ओर धकेला। यह अलगाव, जिसे 'वैली स्प्लिटिंग' कहा जाता है, का अर्थ था कि एक प्रकार का इलेक्ट्रॉन बिजली का प्राथमिक वाहक बन गया। परिणामस्वरूप, छिपी हुई धाराएं जो पहले एक-दूसरे को रद्द कर रही थीं, अचानक जुड़ गईं और एक मापने योग्य, शुद्ध विद्युत संकेत बनाने लगीं। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल विद्युत क्षेत्र की दिशा को उलटकर, वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि कौन सी वैली हावी होगी, जिससे प्रभावी रूप से विद्युत संकेत के चिह्न (sign) को पलटा जा सकता है।

यह विद्युत स्विचिंग केवल करंट को ही नियंत्रित नहीं करती है; यह प्रकाश के साथ सामग्री की अंतःक्रिया को भी बदल देती है। टीम ने गणना की कि यह गेट-नियंत्रित अवस्था सामग्री से परावर्तित होने वाले ध्रुवीकृत प्रकाश (polarized light) के तल को घुमा देगी। यह घटना, जिसे 'केर प्रभाव' (Kerr effect) कहा जाता है, चुंबकीय गुणों का पता लगाने का एक मानक तरीका है। उनके सिमुलेशन में, घूर्णन कोण (rotation angle) एक मिलीरेडियन से अधिक होने का अनुमान लगाया गया था, जो कि मानक प्रयोगशाला उपकरणों द्वारा आसानी से पहचाने जाने योग्य मान है। महत्वपूर्ण रूप से, ठीक विद्युत संकेत की तरह, प्रकाश का घूर्णन भी विद्युत क्षेत्र को उलटने पर बदल गया। इसका अर्थ है कि सामग्री का चुंबकीय हस्ताक्षर, जो गेट के बिना अदृश्य था, अब दृश्यमान और इच्छानुसार स्विच करने योग्य हो गया है।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन सामग्रियों को छिपी हुई, संतुलित गति की अवस्था से एक पूरी तरह से कार्यात्मक, विद्युत रूप से स्विच करने योग्य प्रणाली में बदला जा सकता है। शोधकर्ताओं ने न केवल सैद्धांतिक ढांचा बल्कि विशिष्ट उम्मीदवार सामग्रियों की भी पहचान की, जिसमें Mg2Os2(SO5)2 मोनोलेयर और कैल्शियम एवं कोबाल्ट नाइट्राइड पर आधारित यौगिकों का एक परिवार शामिल है, जो वास्तविक दुनिया में इस प्रभाव को साकार कर सकते हैं। उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि इलेक्ट्रॉन के स्पिन, ऊर्जा स्थान में उसके स्थान और परमाणु परतों के भीतर उसकी स्थिति के सूक्ष्म संबंधों को समझकर और हेरफेर करके, वैज्ञानिक सूचना को नियंत्रित करने के नए तरीके खोल सकते हैं। यह दृष्टिकोण एक ऐसा तरीका प्रदान करता है जिससे ऐसे उपकरण बनाए जा सकें जो चुंबकीय रूप से शांत और विद्युत रूप से सक्रिय हों, जो स्पिंट्रोनिक और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियों की एक नई पीढ़ी के लिए मार्ग प्रशस्त करता है जो भारी चुंबकीय क्षेत्रों के बजाय पूर्ण-विद्युत नियंत्रण पर निर्भर करती है।