ZnO/Ni interface-activated enhancement of spintronic terahertz emission from Ni/Pt bilayers

उन अदृश्य ऊर्जा तरंगों को नियंत्रित करने की खोज में जो प्रकाश की गति से भी तेज़ चलती हैं, वैज्ञानिक लंबे समय से उत्तर खोजने के लिए इलेक्ट्रॉनों की सूक्ष्म और अराजक दुनिया की ओर देख रहे हैं। इन टेराहर्ट्ज़ (terahertz) तरंगों को उत्पन्न करने के कई तरीकों में से एक आशाजनक विधि में एक भारी धातु के बगल में चुंबकीय धातु की अत्यंत पतली परतों को एक के ऊपर एक रखना शामिल है। जब लेज़र प्रकाश की एक चमक इस ढेर पर पड़ती है, तो यह चुंबकीय परत में इलेक्ट्रॉनों को झकझोर देती है, जिससे घूमते हुए कणों का एक प्रवाह पैदा होता है जो भारी धातु में फैल जाता है। वहाँ, इस घूर्णन गति को एक तीव्र विद्युत धारा में परिवर्तित किया जाता है, जो फिर टेराहर्ट्ज़ विकिरण का एक विस्फोट करती है। यह प्रक्रिया कुशल और सघन है, लेकिन इसकी एक जिद्दी सीमा है: कुछ सबसे सामान्य चुंबकीय सामग्रियाँ, जैसे कि निकल (nickel), अकेले उपयोग करने के लिए पर्याप्त मजबूत संकेत उत्पन्न नहीं करती हैं। परिणामी तरंगें अक्सर अगली पीढ़ी के उच्च-गति वाले इमेजिंग या संचार उपकरणों को शक्ति देने के लिए बहुत मंद होती हैं।

चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस कमजोर संकेत को जगाने का एक तरीका खोज निकाला है, जिससे एक शांत फुसफुसाहट एक स्पष्ट आवाज में बदल गई। उन्होंने निकल और प्लैटिनम का एक मानक 'सैंडविच' लिया और उसके नीचे जिंक ऑक्साइड (zinc oxide) की एक पतली शीट रख दी। इस सरल जुड़ाव ने, जिसने निकल और प्लैटिनम के बीच के संबंध में कोई बाधा नहीं डाली, टेराहर्ट्ज़ उत्सर्जन की शक्ति को लगभग तीन गुना बढ़ा दिया। शोधकर्ताओं ने न केवल एक तेज़ संकेत देखा; उन्होंने यह भी सिद्ध किया कि जिंक ऑक्साइड संरचना के बिल्कुल निचले हिस्से में एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, जो उस सतह पर निकल के व्यवहार को संशोधित करता है जहाँ वह नई परत से मिलता है। यह खोज बताती है कि सामग्रियों के छिपे हुए इंटरफेस (interfaces) को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वैज्ञानिक उन चुंबकीय धातुओं की पूरी क्षमता को अनलॉक कर सकते हैं जिन्हें पहले व्यावहारिक उपयोग के लिए बहुत कमजोर माना जाता था।

इस खोज की यात्रा इस सेटअप के साथ शुरू हुई जिसका उपयोग इन उच्च-आवृत्ति वाली तरंगों को उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक कांच की स्लाइड पर निकल और प्लैटिनम की परतें जमा कीं, जिससे एक द्विपरत (bilayer) बनी जो केवल कुछ परमाणुओं जितनी मोटी थी। जब उन्होंने इस ढेर पर एक फेमटोसेकंड लेज़र (femtosecond laser) से प्रहार किया—एक ऐसा पल्स जो इतना छोटा है कि यह एक क्वाड्रिलियनवें हिस्से के लिए रहता है—तो निकल की परत ने घूमते हुए इलेक्ट्रॉनों का एक विस्फोट उत्पन्न किया। ये स्पिन (spins) प्लैटिनम में गए, जहाँ उन्हें एक विद्युत धारा में बदल दिया गया जिसने टेराहर्ट्ज़ पल्स उत्सर्जित की। हालांकि यह काम कर रहा था, लेकिन संकेत अपेक्षाकृत मंद था, जिससे पुष्टि हुई जो अन्य वैज्ञानिकों ने भी पाई थी: निकल इस विशिष्ट भूमिका में अन्य चुंबकीय धातुओं की तुलना में एक खराब प्रदर्शन करने वाला पदार्थ है। टीम ने फिर एक नया चर (variable) पेश किया, कांच और निकल के बीच जिंक ऑक्साइड की चालीस नैनोमीटर मोटी परत रखी। जिंक ऑक्साइड इलेक्ट्रॉनिक्स और सनस्क्रीन में इस्तेमाल होने वाली एक सामान्य सामग्री है, जो कुछ परिस्थितियों में बिजली संचालित करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है, लेकिन यहाँ इसकी भूमिका पूरी तरह से अलग थी।

जब लेज़र ने नए तीन-परत वाले ढांचे पर प्रहार किया, तो परिणाम तत्काल और नाटकीय था। जिंक ऑक्साइड, निकल और प्लैटिनम के स्टैक से प्राप्त टेराहर्ट्ज़ सिग्नल, केवल निकल और प्लैटिनम के स्टैक वाले सिग्नल की तुलना में लगभग ढाई गुना अधिक शक्तिशाली था। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह प्रकाश का कोई भ्रम या नई सामग्री का साधारण प्रभाव नहीं है, शोधकर्ताओं ने कठोर परीक्षण किए। उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र को उलट दिया, और सिग्नल ने ठीक उसी दिशा में उल्टा व्यवहार किया जैसा कि एक स्पिन-आधारित प्रक्रिया के लिए अपेक्षित होता है, जिससे पुष्टि हुई कि तरंगें अभी भी इलेक्ट्रॉन स्पिन की गति से उत्पन्न हो रही थीं। उन्होंने नमूने को घुमाया, और सिग्नल ने मूल स्टैक के समान ही अनुमानित पैटर्न का पालन किया, जिससे सिद्ध हुआ कि जिंक ऑक्साइड ने कोई नया प्रकार का उत्सर्जन नहीं बनाया बल्कि इसने केवल मौजूदा उत्सर्जन को बढ़ाया है। उन्होंने जिंक ऑक्साइड की परत की मोटाई को भी बदला, जिससे पता चला कि जैसे ही परत मौजूद थी सिग्नल बढ़ गया और फिर स्थिर हो गया, जो यह दर्शाता है कि यह प्रभाव जिंक ऑक्साइड के भीतर गहराई में होने के बजाय ठीक उसी सीमा (boundary) पर हुआ जहाँ जिंक ऑक्साइड ने निकल को छुआ था।

टीम ने इस अचानक बढ़ी हुई शक्ति के अन्य संभावित स्पष्टीकरणों को खारिज करने में सावधानी बरती। उन्होंने परीक्षण किया कि क्या जिंक ऑक्साइड केवल लेज़र प्रकाश को अधिक कुशलता से अवशोषित कर रहा है या एक बेहतर चालक के रूप में कार्य कर रहा है, लेकिन परिणाम कहीं और इशारा कर रहे थे। जब उन्होंने जिंक ऑक्साइड को तांबे (copper) की परत से बदल दिया, तो सिग्नल में सुधार नहीं हुआ; वास्तव में, यह थोड़ा कमजोर हो गया। जब उन्होंने एक अलग ऑक्साइड, एल्युमीनियम ऑक्साइड (aluminum oxide) का उपयोग किया, तो सिग्गल में केवल मामूली सुधार हुआ, जिससे पता चला कि जिंक ऑक्साइड की विशिष्ट रासायनिक प्रकृति महत्वपूर्ण थी। उन्होंने निकल के स्थान पर लोहा (iron) के साथ भी यही प्रयोग किया, और यह समान वृद्धि उत्पन्न करने में विफल रहा, जिससे पता चला कि यह प्रभाव जिंक ऑक्साइड और निकल के बीच की अंतःक्रिया के प्रति विशिष्ट है। इन नियंत्रण प्रयोगों ने इस विचार को समाप्त कर दिया कि सुधार बेहतर क्रिस्टल विकास या सरल ऑप्टिकल प्रभावों से आया था। इसके बजाय, साक्ष्य एक जटिल अंतःक्रिया की ओर इशारा करते थे, जिसमें संभवतः जिंक ऑक्साइड में सूक्ष्म दोष और विद्युत क्षेत्र शामिल थे जो दो सामग्रियों के मिलन स्थल पर बनते हैं, जो बदले में निकल की सतह पर इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को बदलते हैं।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि जिंक ऑक्साइड का स्तर निकल के लिए एक प्रकार के सक्रियक (activator) के रूप में कार्य करता है। चुंबकीय परत की स्थिति को बदलकर, जिंक ऑक्साइड ऐसा प्रतीत होता है कि लेज़र के लिए घूमते हुए इलेक्ट्रॉनों का एक मजबूत प्रवाह उत्पन्न करना आसान बना देता है, जो फिर टेराहर्ट्ज़ तरंगों का एक अधिक शक्तिशाली विस्फोट बनाने के लिए प्लैटिनम तक यात्रा करते हैं। यह खोज स्पिनट्रोनिक (spintronic) उपकरणों को बेहतर बनाने के लिए एक नई रणनीति प्रदान करती है, जो केवल आवेश (charge) के बजाय इलेक्ट्रॉनों के स्पिन पर निर्भर करते हैं। यह सुझाव देता है कि यहाँ तक कि वे सामग्रियाँ जिन्हें वर्तमान में कमजोर या अक्षम माना जाता है, उन्हें सावधानीपूर्वक इंटरफ़ेस इंजीनियरिंग के माध्यम से पुनर्जीवित किया जा सकता है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने क्षेत्र की हर समस्या को हल कर दिया है, लेकिन यह एक स्पष्ट, मापा गया मार्ग प्रदान करता है: एक चुंबकीय परत के नीचे सही सामग्री रखकर, वैज्ञानिक टेराहर्ट्ज़ उत्सर्जकों के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकते हैं, जिससे वे सुरक्षा स्कैनिंग, मेडिकल इमेजिंग और उच्च-गति वाले वायरलेस संचार के लिए वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत बन सकते हैं।