Field-driven phase transition crossover in kagome antiferromagnet Mn$_{3-x}$Co$_x$Sn

चुंबकत्व को अक्सर ऑन और ऑफ के बीच एक साधारण स्विच के रूप में सोचा जाता है, लेकिन कुछ सामग्रियों में, कहानी कहीं अधिक जटिल है। कुछ ठोस पदार्थों की परमाणु संरचना के भीतर, स्पिन नामक नन्हे चुंबकीय तीरों के समूह जटिल पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, और ये पैटर्न तापमान बदलने या बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू करने पर नाटकीय रूप से बदल सकते हैं। जब ये बदलाव होते हैं, तो सामग्री ऊष्मा को अवशोषित या मुक्त करती है, जिसे मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव (magnetocaloric effect) के रूप में जाना जाता है। यह प्रभाव चुंबकीय प्रशीतन (magnetic refrigeration) के पीछे का इंजन है, जो एक ऐसी तकनीक है जो पारंपरिक फ्रिज में उपयोग की जाने वाली हानिकारक गैसों के बिना चीजों को ठंडा करने का वादा करती है। हालाँकि, इस शक्ति का लाभ उठाने के लिए, वैज्ञानिकों को यह समझने की आवश्यकता है कि ये चुंबकीय बदलाव वास्तव में कैसे होते हैं। क्या वे सुचारू, क्रमिक परिवर्तन हैं, या अचानक, तीव्र उछाल? दक्षतापूर्ण शीतलन उपकरणों को डिजाइन करने के लिए अंतर बहुत मायने रखता है, और यहीं पर 'कागोमे एंटीफेरोमैग्नेट्स' (kagome antiferromagnets) नामक सामग्रियों का एक विशिष्ट परिवार एक दिलचस्प पहेली बन जाता है।

हाल ही में एक अध्ययन में, भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान कानपुर के शोधकर्ताओं ने Mn3Sn नामक एक क्रिस्टल पर ध्यान केंद्रित किया। यह सामग्री अपनी अनूठी आंतरिक वास्तुकला के लिए प्रसिद्ध है, जहाँ मैंगनीज परमाणु त्रिकोणों के कोनों पर स्थित होते हैं जो हनीकॉम्ब जैसी संरचना बनाते हैं जिसे कागोमे लैटिस (kagome lattice) कहा जाता है। कमरे के तापमान पर, इस क्रिस्टल में चुंबकीय स्पिन एक गैर-कोलिनियर (non-collinear) त्रिकोणीय संरचना में व्यवस्थित होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक ही तल के भीतर अलग-अलग दिशाओं में इशारा करते हैं, न कि एक सीधी रेखा में। जैसे-जैसे क्रिस्टल ठंडा होता है, यह एक परिवर्तन से गुजरता है जहाँ ये स्पिन एक सर्पिल (spiral) पैटर्न में पुनर्गठित होते हैं। यह संक्रमण एक विशिष्ट तापमान, लगभग 278 केल्विन पर होता है, और यह एक तीव्र, अचानक होने वाली घटना है। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या वे इस तीव्रता को नियंत्रित कर सकते हैं और शायद क्रिस्टल की रेसिपी में थोड़ा बदलाव करके इस संक्रमण की प्रकृति को भी बदल सकते हैं।

इसका परीक्षण करने के लिए, टीम ने Mn3-Sn के उच्च गुणवत्ता वाले सिंगल क्रिस्टल उगाए और फिर कोबाल्ट के साथ मैंगनीज परमाणुओं के एक छोटे हिस्से को बदलकर एक नया संस्करण तैयार किया। उन्होंने कोबाल्ट की सांद्रता को केवल 8 प्रतिशत तक कम रखा ताकि मूल कागोमे संरचना बरकरार रहे और सूक्ष्म परिवर्तन भी किए जा सकें। परिणाम आश्चर्यजनक थे। शुद्ध क्रिस्टल में, 278 केल्विन पर चुंबकीय संक्रमण एक तीव्र, अचानक उछाल था, जो एक प्रथम-क्रम के चरण संक्रमण (first-order phase transition) की विशेषता है। इस प्रकार का अचानक परिवर्तन अक्सर थर्मल हिस्टेरेसिस (thermal hysteresis) के साथ आता है, जिसका अर्थ है कि सामग्री गर्म होने पर ठंडा होने की तुलना में थोड़ा अलग व्यवहार करती है, ठीक वैसे ही जैसे एक दरवाजा धक्का देने पर अटक सकता है लेकिन खींचने पर आसानी से फिसल सकता है। शुद्ध क्रिस्टल ने एक विशिष्ट प्रकार की चुंबकीय प्रतिक्रिया भी दिखाई जहाँ एंट्रॉपी, या अव्यवस्था, उस तरह से कम हुई जिसे मानक चुंबकीय शीतलन सामग्रियों में अपेक्षित 'विपरीत' (inverse) माना जाता है।

जब कोबाल्ट मिलाया गया, तो कहानी पूरी तरह बदल गई। संक्रमण का तापमान काफी गिरकर 175 केल्विन हो गया, और 210 केल्विन के आसपास एक नया, कमजोर चुंबकीय व्यवहार दिखाई दिया। कोबाल्ट परमाणु, मैंगनीज की तुलना में थोड़े छोटे होने के कारण, क्रिस्टल लैटिस को दबाते हैं, जिससे इसमें संकुचन होता है। इस भौतिक कसाव ने परमाणुओं के बीच होने वाली अंतःक्रिया को बदल दिया, जिससे कागोमे पैटर्न की पूर्ण समरूपता (symmetry) टूट गई। इस समरूपता टूटने ने एक नई चुंबकीय अवस्था को प्रेरित किया जहाँ स्पिन थोड़े सपाट तल से बाहर की ओर झुके हुए थे, जिससे एक कमजोर फेरोमैग्नेटिक चरित्र पैदा हुआ। शुद्ध क्रिस्टल में देखे गए तीव्र, अचानक उछाल के बजाय, कोबाल्ट-डोप वाले संस्करण ने बहुत व्यापक और सुचारू संक्रमण दिखाया। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने देखा कि थर्मल हिस्टेरेसिस, जो शुद्ध नमूने में एक अचानक उछाल का स्पष्ट संकेत था, कम चुंबकीय क्षेत्रों में डोप्ड नमूने में भी बना रहा, जो यह दर्शाता कि प्रथम-क्रम चरण संक्रमण का लक्षण निम्न क्षेत्रों में भी बना रहता है और उच्च क्षेत्रों के तहत विकसित होता है।

सबसे महत्वपूर्ण खोज यह थी कि सामग्री बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। शुद्ध क्रिस्टल में, चुंबकीय क्षेत्र लगाने से संक्रमण की मौलिक प्रकृति नहीं बदली; यह क्षेत्र की मजबूती के बावजूद एक तीव्र, प्रथम-क्रम की घटना बनी रही। लेकिन कोबाल्ट-डोप किए गए क्रिस्टल में, चुंबकीय क्षेत्र एक स्विच की तरह काम करता है। कम चुंबकीय क्षेत्र की ताकत पर, संक्रमण अभी भी एक तीव्र उछाल की तरह व्यवहार करता था। फिर भी, जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने चुंबकीय क्षेत्र बढ़ाया, संक्रमण सुचारू होने लगा। एक निश्चित सीमा के ऊपर, तीव्र उछाल पूरी तरह से गायब नहीं हुआ बल्कि एक क्रॉसओवर (crossover) में बदल गया, जहाँ सामग्री मिश्रित व्यवहार प्रदर्शित करती है, और अंततः एक निरंतर, द्वितीय-क्रम (second-order) के संक्रमण में विकसित हो जाती है। इसका अर्थ है कि लागू किए गए चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को समायोजित करके सामग्री को एक प्रकार के चुंबकीय व्यवहार से दूसरे प्रकार में ट्यून किया जा सकता है।

इस क्रॉसओवर की पुष्टि करने के लिए, टीम ने विभिन्न तापमानों और क्षेत्र की ताकतों के माध्यम से चुंबकीय एंट्रॉपी में होने वाले परिवर्तन का विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि शुद्ध क्रिस्टल में, डेटा बिंदु स्केल करने पर व्यापक रूप से बिखरे हुए थे, जो एक तीव्र, प्रथम-क्रम संक्रमण का संकेत है। इसके विपरीत, कोबाल्ट-डोप किए गए क्रिस्टल ने एक उल्लेखनीय 'डेटा कोलैप्स' दिखाया, जहाँ चुंबकीय क्षेत्र पर्याप्त मजबूत होने पर डेटा बिंदु एक एकल, सार्वभौमिक वक्र (universal curve) पर सिमट गए। यह एक सुचारू, द्वितीय-क्रम संक्रमण का प्रमाण है, हालांकि कम क्षेत्रों में, डेटा दोनों प्रथम-क्रम और द्वितीय-क्रम विशेषताओं के सह-अस्तित्व का संकेत देता है। शोधकर्ताओं ने इन निष्कर्षों को एक नए फेज डायग्राम (phase diagram) में मैप किया, जो स्पष्ट रूप से उन सीमाओं को दर्शाता है जहाँ सामग्री एक तीव्र, प्रथम-क्रम संक्रमण से एक सुचारू, द्वितीय-क्रम संक्रमण में बदल जाती है। यह फील्ड-ड्रिवन क्रॉसओवर सुझाव देता है कि कोबाल्ट की मात्रा और लागू चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को सावधानीपूर्वक चुनकर, वैज्ञानिक चरण संक्रमण के क्रम को नियंत्रित कर सकते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक एकल क्रिस्टल को समझने तक सीमित नहीं हैं। यह प्रदर्शित करता है कि किसी चुंबकीय चरण संक्रमण का क्रम किसी सामग्री का एक स्थिर गुण नहीं है, बल्कि इसे रासायनिक डोपिंग और बाहरी क्षेत्रों के माध्यम से हेरफेर किया जा सकता है। चुंबकीय प्रशीतन के क्षेत्र के लिए, यह एक महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि है। वे सामग्रियाँ जो सुचारू, द्वितीय-क्रम संक्रमणों से गुजरती हैं, अक्सर शीतलन अनुप्रयोगों के लिए पसंद की जाती हैं क्योंकि वे तीव्र उछालों से जुड़ी ऊर्जा हानि के बिना व्यापक तापमान सीमा में काम कर सकती हैं। अध्ययन से पता चलता है कि Mn3Sn में थोड़ी मात्रा में कोबाल्ट मिलाकर, सामग्री को सही परिस्थितियों में इन वांछनीय सुचारू संक्रमणों को प्रदर्शित करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है। शोधकर्ता सफलतापूर्वक इन क्रिस्टलों को उगा पाए हैं, उनकी विशेषताओं को उच्च सटीकता के साथ मापा है, और इस बात का विस्तृत मानचित्र तैयार किया है कि वे कैसे व्यवहार करते हैं, जो चुंबकीय सामग्रियों के भविष्य के अन्वेषण के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।