Low magnon damping of a EuSe film down to millikelvin temperatures
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एपिटैक्सियल EuSe फिल्में मिलीकेल्विन तापमान पर असाधारण रूप से कम मैग्नॉन डैम्पिंग प्रदर्शित करती हैं, जिसमें का गिल्बर्ट डैम्पिंग पैरामीटर ऊपरी सीमा और 2 ns का मैग्नॉन लाइफटाइम है, जो उन्हें हाइब्रिड क्वांटम सिस्टम और क्वांटम मैग्ोनिक्स के लिए आशाजनक उम्मीदवार के रूप में स्थापित करता है।
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अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो सूचना को गर्मी या शोर के कारण खोए बिना ले जा सकें। इस भूमिका के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार 'मैग्नॉन' (magnon) है, जो चुंबकत्व की एक सूक्ष्म लहर है जो एक ठोस पदार्थ के माध्यम से तालाब पर उठने वाली लहर की तरह यात्रा करती है। इलेक्ट्रॉन्स के विपरीत, जो बिजली के मानक वाहक होते हैं, मैग्नॉन को आवेश (charge) के प्रवाह की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे वे इन्सुलेटिंग पदार्थों में उपयोग के लिए आदर्श बन जाते हैं जहाँ वे सुपरकंडक्टिंग सर्किट और प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं। हालाँकि, इन लहरों को क्वांटम मशीन के लिए उपयोगी होने के लिए, उन्हें अपना काम करने के लिए पर्याप्त समय तक जीवित रहना चाहिए। इसके लिए ऐसे पदार्थों की आवश्यकता है जहाँ लहरें जल्दी फीकी न पड़ें, जिसे 'लो डैम्पिंग' (low damping) कहा जाता है। जबकि 'यिट्रियम आयरन गार्नेट' नामक एक पदार्थ लंबे समय से इस क्षेत्र का चैंपियन रहा है, इसमें एक बड़ी खामी है जब इसे क्वांटम प्रयोगों के लिए आवश्यक अत्यधिक कम तापमान तक ठंडा किया जाता है: यह अपने परिवेश के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करता है जिससे इसकी ऊर्जा कम हो जाती है। इसलिए शोधकर्ता चुंबकीय अर्धचालकों (magnetic semiconductors) के एक नए वर्ग की तलाश कर रहे हैं जो परम शून्य (absolute zero) से केवल एक अंश ऊपर के तापमान पर भी अपनी स्पष्टता बनाए रख सके।
भौतिकविदों की एक टीम ने अब अपना ध्यान 'यूरोपियम सेलेनाइड' (europium selenide) नामक एक विशिष्ट पदार्थ की ओर लगाया है, जो एक चुंबकीय अर्धचालक की तरह व्यवहार करता है। यह सामग्री इसलिए अद्वितीय है क्योंकि इसके चुंबकीय गुण उन इलेक्ट्रॉन्स से आते हैं जो धातु की तरह स्वतंत्र रूप से बहने के बजाय परमाणुओं से मजबूती से बंधे होते हैं। यह संरचना यह सुझाव देती है कि यह पदार्थ स्वाभाविक रूप से उस आंतरिक घर्षण का विरोध करेगा जो आमतौर पर चुंबकीय तरंगों को समाप्त कर देता है। इसका परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विशेष क्रिस्टल आधार पर यूरोपियम सेलेनाइड की एक पतली, उच्च गुणवत्ता वाली फिल्म विकसित की जो चुंबकत्व में हस्तक्षेप नहीं करती है। फिर उन्होंने इस फिल्म को एक 'डिल्यूशन रेफ्रिजरेटर' (dilution refrigerator) के भीतर रखा, जो एक ऐसी मशीन है जो नमूनों को 30 मिलीकेल्विन जैसे निम्न तापमान तक ठंडा करने में सक्षम है, जो गहरे अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडा है। इस ठंडे वातावरण के भीतर, उन्होंने चुंबकीय तरंगों को उत्तेजित करने के लिए माइक्रोवेव का उपयोग किया और सावधानीपूर्वक मापा कि वे लहरें फीकी पड़ने से पहले कितनी देर तक टिकी रहती हैं।
परिणामों ने इस नए पदार्थ और पारंपरिक पसंदीदा पदार्थों के बीच एक आश्चर्यजनक अंतर प्रकट किया। अधिकांश चुंबकीय पदार्थों में, सिग्नल की आवृत्ति बढ़ने के साथ लहरें ऊर्जा तेजी से खो देती हैं, जो उनकी उपयोगिता को सीमित करने वाला व्यवहार है। इसके विपरीत, यूरोपियम सेलेनाइड फिल्म में लहरें आवृत्ति और लागू चुंबकीय क्षेत्र बढ़ने के साथ अधिक स्पष्ट और स्थिर होती गईं। जब शोधकर्ताओं ने फिल्म को 30 मिलीकेल्विन तक ठंडा किया और एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो उन्होंने पाया कि लहरें दो अरबवें सेकंड तक जीवित रहीं। इतनी छोटी लहर के लिए यह एक उल्लेखनीय लंबा समय है, जो ऊर्जा हानि के एक ऐसे स्तर के अनुरूप है जो अब तक रिकॉर्ड की गई सबसे कम दर्ज की गई थिन फिल्म्स में से एक है। टीम ने गणना की कि सामग्री के भीतर का आंतरिक घर्षण इतना कम है कि यह अब तक बनाए गए सर्वश्रेष्ठ 'बल्क क्रिस्टल्स' के लगभग बराबर है, जो यह सुझाव देता है कि फिल्म स्वयं असाधारण गुणवत्ता की है।
महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने पाया कि ऊर्जा हानि का यह निम्न स्तर 30 मिलीकेल्विन से 750 मिलीकेल्विन तक तापमान बढ़ने पर नहीं बदला। यह स्थिरता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि लहरें यादृच्छिक थर्मल कंपन (thermal jitters) या उनके नीचे के चुंबकीय आधार द्वारा बिखेरी नहीं जा रही हैं, जो अन्य पदार्थों के साथ एक समस्या है। इसके बजाय, शेष हानि फिल्म में मौजूद छोटी, स्थिर खामियों से आती प्रतीत होती है, जैसे कि मोटाई में सूक्ष्म भिन्नता या छिटपुट परमाणु, न कि सामग्री की मौलिक प्रकृति से। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि बहुत कमजोर चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके सामग्री को विभिन्न चुंबकीय अवस्थाओं के बीच स्विच किया जा सकता है, जिससे यह बंद होने पर बिना किसी शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र वाले चुंबक के रूप में, या चालू होने पर एक मजबूत चुंबक के रूप में कार्य कर सकता है। बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को उत्पन्न किए अवस्थाओं के बीच बदलने की यह क्षमता इसे नाजुक सुपरकंडक्टिंग घटकों के लिए एक आदर्श साथी बनाती है।
निष्कर्ष बताते हैं कि यूरोपियम सेलेनाइड उभरते हुए 'क्वांटम मैग्नोनिक्स' के क्षेत्र में एक शक्तिशाली नया उपकरण है। चुंबकीय तरंगों को ले जाने की क्षमता के साथ बहुत कम ऊर्जा हानि, अत्यंत निम्न तापमान पर संचालित होने की क्षमता और इसकी चुंबकीय अवस्था को बदलने के लचीलेपन को जोड़कर, यह सामग्री हाइब्रिड क्वांटम सिस्टम बनाने के लिए एक मार्ग प्रदान करती है। जबकि वर्तमान फिल्म में प्रकृति में पाए जाने वाले शुद्धतम क्रिस्टल की तुलना में अभी भी सुधार की कुछ गुंजाइश है, परिणाम दर्शाते हैं कि इस सामग्री की क्षमता वास्तविक और सुलभ है। यह कार्य चुंबकीय अर्धचालकों को न केवल निष्क्रिय घटकों के रूप में, बल्कि भविष्य के क्वांटम उपकरणों के सक्रिय, ट्यूनेबल हिस्सों के रूप में उपयोग करने के द्वार खोलता है, जो सुपरकंडक्टिंग सर्किट और चुंबकीय दुनिया के बीच के अंतर को पाटता है।
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