Long-lived nonequilibrium spin configuration induced by dual optical excitation

चुंबकत्व को अक्सर एक स्थिर गुण के रूप में देखा जाता है, लोहे जैसी सामग्रियों का एक स्थायी गुण जो बस अस्तित्व में रहता है। वास्तव में, हालांकि, किसी सामग्री की चुंबकीय अवस्था एक गतिशील संतुलन है, जो इलेक्ट्रॉनों के सूक्ष्म स्पिन और आसपास के वातावरण की ऊष्मा के बीच एक निरंतर खींचतान है। जब वैज्ञानिक एक शक्तिशाली, अत्यंत तीव्र (अल्ट्राफास्ट) लेजर पल्स को एक चुंबकीय सामग्री पर चमकाते हैं, तो वे इस संतुलन को एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में बाधित कर सकते हैं, जिससे सामग्री को उसकी प्राकृतिक साम्यावस्था से बहुत दूर की स्थिति में धकेल दिया जाता है। अध्ययन का यह क्षेत्र, जिसे अल्ट्राफास्ट मैग्नेटिज्म कहा जाता है, यह समझने का लक्ष्य रखता है कि ये स्पिन कैसे प्रतिक्रिया करते हैं और वापस अपनी स्थिति में आते हैं। चुनौती इस प्रक्रिया की गति में निहित है: धातुओं में, लेजर पल्स से ऊर्जा फैल जाती है और लगभग तुरंत ही ऊष्मा में बदल जाती है, जो आमतौर पर कुछ ट्रिलियनवें सेकंड के भीतर होता है। एक बार जब ऐसा हो जाता है, तो सामग्री एक ठंडी होती गर्म वस्तु की तरह व्यवहार करती है, और वे विशिष्ट, गैर-तापीय (नॉन-थर्मल) अवस्थाएं जो चुंबकत्व को नियंत्रित करने के नए तरीकों की अनुमति दे सकती हैं, लुप्त हो जाती हैं। दशकों से, शोधकर्ता इन विशेष, गैर-तापीय अवस्थाओं को उपयोगी होने तक जीवित रखने का तरीका खोजने के लिए संघर्ष कर रहे हैं, क्योंकि सिस्टम की स्वाभाविक प्रवृत्ति एक सरल, गर्म साम्यावस्था में वापस लौटने की है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब प्रकाश के एक विशिष्ट तरीके का उपयोग करके इस तीव्र ऊष्मा की ओर लौटने के मार्ग को दरकिनार करने का एक तरीका खोज लिया है। GdFeCo नामक एक चुंबकीय मिश्र धातु की एक पतली फिल्म पर एक एकल लेजर पल्स से टकराने के बजाय, उन्होंने इसे एक ही समय में दो पल्स से मारा। उन्होंने जिस सामग्री का अध्ययन किया वह एक अमोर्फस (अक्रिस्टलीय) फिल्म थी, जिसका अर्थ है कि इसके परमाणु एक क्रिस्टल ग्रिड के बजाय यादृच्छिक रूप से व्यवस्थित हैं, और इसमें एक अनूठी विशेषता है जहाँ इसके चुंबकत्व को प्रकाश द्वारा आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है। इन दो समवर्ती पल्स की शक्ति को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वैज्ञानिकों ने कुछ अप्रत्याशित देखा: चुंबकीय स्पिन केवल तेजी से गर्म होकर शांत नहीं हुए। इसके बजाय, वे एक ऐसी अवस्था में प्रवेश कर गए जहाँ उनका दोलन, या डगमगाहट (वबल), सैकड़ों पिकोसेकंड—सैकड़ों ट्रिलियनवें सेकंड—तक बनी रही, जो सामान्य से बहुत अधिक है। यह लंबी अवधि का सुझाव देती है कि सामग्री एक विशिष्ट, गैर-तापीय विन्यास में थी जो एकल पल्स के साथ नहीं होता है, भले ही दी गई कुल ऊर्जा समान क्यों न हो।

प्रयोग इस अजीब व्यवहार के दो संभावित कारणों के बीच अंतर करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। जब दो लेजर बीम सतह से थोड़े अलग कोणों पर टकराती हैं, तो वे प्रकाश और अंधेरे की धारियों का एक पैटर्न बनाती हैं, ठीक वैसे ही जैसे तालाब में दो पत्थर फेंकने पर लहरें बनती हैं। यह पैटर्न बताता है कि सामग्री के कुछ हिस्से दूसरे हिस्सों की तुलना में अधिक गर्म होते हैं, जिससे सैद्धांतिक रूप से चुंबकीय स्पिन अपनी लय को अलग-अलग दर से खो सकते हैं, जिससे समग्र संकेत तेजी से समाप्त होता हुआ प्रतीत हो सकता है। शोधकर्ता जानते थे कि यह "मैग्नेटोस्टैटिक डीफेज़िंग" एक वास्तविक प्रभाव था जो शुरुआत में हुआ था, लेकिन उन्हें यह देखने की आवश्यकता थी कि क्या बाद में कुछ और भी हो रहा है। उन्होंने एक सममित व्यवस्था (सिमेट्रिक अरेंजमेंट) तैयार की जहाँ वे एक अन्य लेजर बीम को स्थिर रखते हुए दूसरी लेजर बीम की तीव्रता को धीरे-धीरे बदल सकते थे, जो प्रभावी रूप से एक एकल-पल्स परिदृश्य से एक दोहरे-पल्स परिदृश्य की ओर फिसलने जैसा था। उन्होंने पाया कि ऊर्जा की एक बहुत ही विशिष्ट सीमा पर, सामग्री का व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। चुंबकीय डगमगाहट बहुत अधिक स्थिर हो गई, जो किसी भी अन्य ऊर्जा सीमा की तुलना में बहुत लंबे समय तक चली, और इसकी आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) थोड़ी ऊपर की ओर बढ़ गई।

ऊर्जा का यह विशिष्ट विंडो ही इस खोज की कुंजी है। यदि यह प्रभाव केवल गर्मी के पैटर्न या ऊर्जा की कुल मात्रा के कारण होता, तो ऊर्जा बढ़ने के साथ परिवर्तन धीरे-धीरे होते। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने एक तीव्र, स्पष्ट परिवर्तन देखा जो केवल तभी हुआ जब दोनों पल्स एक साथ मौजूद थे। उन्होंने स्लाइडिंग टाइम विंडोज़ का उपयोग करके इस प्रभाव की अवधि को मापा, जो लेजर के प्रहार के ठीक बाद के शुरुआती क्षणों से लेकर कई सौ पिकोसेकंड बाद तक चलती रही। उन्होंने पाया कि गर्मी के पैटर्न के कारण होने वाला प्रारंभिक व्यवधान लगभग 100 पिकोसेकंड के भीतर जल्दी से समाप्त हो गया। हालांकि, चुंबकीय डगमगाहट की बढ़ी हुई स्थिरता उनके माप की पूरी अवधि के दौरान बनी रही, जो कम से कम 300 पिकोसेकंड तक चली। यह लंबी अवधि सिद्ध करती है कि यह केवल असमान ऊष्मीय प्रभाव के कारण होने वाला अस्थायी भ्रम नहीं है, बल्कि यह इस बात का प्रमाण है कि सामग्री के विश्राम (रिलैक्सेशन) के तरीके में एक मौलिक परिवर्तन हुआ है। सामग्री प्रभावी रूप से एक ऐसी अवस्था में "फंसी" हुई थी जहाँ स्पिन बहुत लंबे समय तक एक साथ घूम सकते थे, जितना कि भौतिकी आमतौर पर अनुमति देती है।

यह समझने के लिए कि सामग्री के भीतर क्या हो रहा था, शोधकर्ताओं ने उन सूक्ष्म नियमों को देखा जो इलेक्ट्रॉनों के स्पिन खोने को नियंत्रित करते हैं। धातुओं में, इलेक्ट्रॉन आमतौर पर परमाणुओं या अन्य इलेक्ट्रॉनों से टकराते हैं, और इन टक्करों के दौरान, उनके स्पिन की दिशा बदलने की एक छोटी सी संभावना होती है, जिससे चुंबकीय क्रम टूट जाता है। यह प्रक्रिया एक पैरामीटर द्वारा शासित होती है जो यह वर्णन करता है कि स्पिन का इलेक्ट्रॉन की गति के साथ कितनी आसानी से मिश्रण होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि दोहरी-पल्स उत्तेजना (ड्यूल-पल्स एक्साइटेशन) इस मिश्रण की संभावना को कम करती प्रतीत होती है। सरल शब्दों में, दो लेजर मिलकर एक ऐसा इलेक्ट्रॉनिक वातावरण बनाते हैं जहाँ इलेक्ट्रॉनों के लिए टक्करों के दौरान अपने स्पिन को पलटने की संभावना कम हो जाती है। इस स्पिन-फ्लिपिंग में कमी ने सामूहिक चुंबकीय गति को बहुत लंबे समय तक जीवित रहने में मदद की। यह तथ्य कि डगमगाहट की आवृत्ति भी थोड़ी बढ़ गई, यह सुझाव देता है कि यह केवल एक तापीय प्रभाव नहीं था, क्योंकि चुंबक को गर्म करने से वह आमतौर पर अधिक धीरे डगमगाता है, न कि तेज़।

यह अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि यह केवल सामग्री के गर्म होने या प्रकाश के स्थानिक पैटर्न के माप में हस्तक्षेप करने का परिणाम है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह प्रभाव पुनरुत्पादनीय (रिप्रोड्यूसिबल) है और यह इस बात पर निर्भर करता है कि प्रकाश किस पथ का उपयोग करके सामग्री को उत्तेजित करता है, न कि केवल जमा की गई कुल ऊर्जा पर। उन्होंने विभिन्न आवृत्तियों के मिश्रण की संभावना को भी खारिज कर दिया, जिससे पुष्टि हुई कि सामग्री एक एकल, सुसंगत इकाई के रूप में दोलन कर रही थी। निष्कर्ष बताते हैं कि दो सुसंगत प्रकाश क्षेत्रों (कोहेरेंट लाइट फील्ड्स) का एक साथ उपयोग करके, वैज्ञानिक किसी सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक अवस्था को एक ऐसी विन्यास (कॉन्फ़िगरेशन) में निर्देशित कर सकते हैं जो एकल पल्स के साथ सुलभ नहीं है। यह एक दीर्घकालिक, गैर-साम्यावस्था (नॉन-इक्विलिब्रियम) अवस्था है जहाँ स्पिन रिलैक्सेशन के नियम अस्थायी रूप से बदल जाते हैं।

यह कार्य चुंबकीय सामग्रियों को नियंत्रित करने के बारे में हमारे दृष्टिकोण को एक नया आयाम देता है। यह प्रदर्शित करता है कि ऊर्जा कैसे वितरित की जाती है—उत्तेजना का विशिष्ट पथ और समय—यह उतनी ही महत्वपूर्ण है जितनी कि ऊर्जा की मात्रा स्वयं। प्रकाश के सही संयोजन को चुनकर, हम पदार्थ की उन छिपी हुई अवस्थाओं तक पहुँच सकते जो पारंपरिक ऊष्मीय या एकल-पल्स उत्तेजना के माध्यम से उपलब्ध नहीं हैं। हालांकि दो प्रकाश क्षेत्रों के बीच सूक्ष्म स्तर पर क्या परस्पर क्रिया होती है जो इस अवस्था को बनाती है, यह भविष्य के अनुसंधान का विषय बना हुआ है, लेकिन परिणाम स्पष्ट है: दोहरी-पल्स विधि चुंबकीय गुणों के इंजीनियरिंग के लिए एक नया उपकरण प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि भविष्य में, हम प्रकाश का उपयोग केवल चुंबकों को गर्म करने या स्विच करने के लिए ही नहीं, बल्कि विशिष्ट चुंबकीय अवस्थाओं को लंबे समय तक स्थिर करने के लिए भी कर सकते हैं, जो सूचना प्रसंस्करण या डेटा भंडारण के ऐसे नए तरीकों की ओर ले जा सकता है जो उन समय-सीमाओं और सिद्धांतों पर संचालित होते हैं जिन्हें पहले असंभव माना जाता था।