Light-induced chiral altermagnets from conventional antiferromagnets
यह शोध पत्र मिड-इन्फ्रारेड पल्स का उपयोग करके नॉनलीनियर फोनोनिक्स के माध्यम से ज्यामितीय काइरल फोनोन को संचालित करके, FeTeO जैसे पारंपरिक एंटीफेरोमैग्नेट्स में गैर-सापेक्षतावादी स्पिन स्प्लिटिंग वाले एक प्रकाश-प्रेरित अवस्था का निर्माण करके, गैर-सापेक्षतावादी स्पिन स्प्लिटिंग के साथ क्षणिक अल्टरमैग्नेटिज्म को प्रकाशीय रूप से प्रेरित करने के लिए एक सममिति-निर्देशित पथ का प्रस्ताव और प्रदर्शन करता है।
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ठोस पदार्थों की सूक्ष्म दुनिया में, इलेक्ट्रॉन न केवल आवेश (charge) ले जाते हैं, बल्कि एक गुण भी ले जाते हैं जिसे स्पिन (spin) कहा जाता है, जिसे एक छोटे आंतरिक कंपास के रूप में सोचा जा सकता है जो या तो ऊपर या नीचे की ओर संकेत करता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने चुंबकीय सामग्रियों को इस आधार पर वर्गीकृत किया है कि ये कंपास कैसे संरेखित होते हैं। फेरोमैग्नेट्स (ferromagnets) में, जैसे कि रेफ्रिजरेटर पर लगने वाले चुंबक, सभी कंपास एक ही दिशा में संकेत करते हैं, जिससे एक मजबूत चुंबकीय खिंचाव पैदा होता है। पारंपरिक एंटीफेरोमैग्नेट्स (antiferromagnets) में, पड़ोसी परमाणुओं के कंपास विपरीत दिशाओं में संकेत करते हैं, जिससे वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं और बाहरी दुनिया के लिए सामग्री कोई चुंबकीय बल महसूस नहीं करती है। लंबे समय तक, इन रद्द करने वाली सामग्रियों को तकनीक के लिए कम उपयोगी माना जाता था क्योंकि उनके विपरीत स्पिनों के कारण स्पिन-ध्रुवीकृत धारा (spin-polarized current) का शुद्ध प्रवाह उत्पन्न करना कठिन था। हालांकि, अल्टरमैग्नेट्स (altermagnets) नामक एक नए वर्ग की सामग्रियों ने हाल ही में इस दृष्टिकोण को बदल दिया है। इन सामग्रियों में भी विपरीत स्पिन होते हैं जो एक-दूसरे को रद्द करते हैं, लेकिन उनकी आंतरिक व्यवस्था अधिक जटिल है: स्पिन इस तरह व्यवस्थित होते हैं कि वे एक संवेग-निर्भर विभाजन (momentum-dependent splitting) पैदा करते हैं, जिसका अर्थ है कि विभिन्न दिशाओं में चलने वाले इलेक्ट्रॉन अलग-अलग चुंबकीय वातावरण का अनुभव करते हैं। यह अनूठा व्यवहार अल्टरमैग्नेट्स को उन मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों के बिना तेज़, कुशल स्पिन धाराएं (spin currents) बनाए रखने की अनुमति देता है जो आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में हस्तक्षेप करते हैं, जिससे वे अगली पीढ़ी की अल्ट्राफास्ट कंप्यूटिंग के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बन जाते हैं।
शोधकर्ताओं के लिए केंद्रीय चुनौती यह रही है कि कैसे एक मानक एंटीफेरोमैग्नेट को मांग पर इस अधिक उपयोगी अल्टरमैग्नेटिक अवस्था में बदला जाए। जबकि कुछ सामग्रियां स्वाभाविक रूप से इस गुण को रखती हैं, सामान्य सामग्रियों में इसे गतिशील रूप से प्रेरित करने का तरीका खोजना एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करेगा जो वर्तमान तकनीक की तुलना में बहुत तेज़ गति से सूचना को नियंत्रित कर सकता है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रकाश का उपयोग करके इस परिवर्तन को प्राप्त करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। दबाव या रासायनिक मिश्रण जैसे स्थिर परिवर्तनों के बजाय, वे क्रिस्टल जाली (crystal lattice) के भीतर परमाणुओं को हिलाने के लिए प्रकाश के एक सटीक पल्स (pulse) का उपयोग करने का सुझाव देते हैं। प्रकाश द्वारा प्रेरित कंपन के प्रकार को सावधानीपूर्वक चुनकर, क्रिस्टल संरचना को इतना विकृत किया जा सकता है कि वह समरूपता (symmetry) को तोड़ दे जो स्पिन को जोड़े और अपभ्रष्ट (degenerate) रखती है, जिससे एक मानक एंटीफेरोमैग्नेट प्रभावी रूप से एक अल्टरमैग्नेट में बदल जाता है। यह प्रक्रिया एक विशिष्ट अंतःक्रिया पर निर्भर करती है जहाँ प्रकाश-चालित कंपन परमाणुओं के एक सेट को दूसरे सेट की स्थिति को प्रभावित करता है, जिससे एक अस्थायी, विकृत आकार बनता है जो स्पिन को उनके यात्रा के दिशा के आधार पर विभाजित करने की अनुमति देता है।
इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट सामग्री, आयरन टेल्यूरियम ऑक्साइड (iron tellurium oxide) पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक पारंपरिक एंटीफेरोमैग्नेट है जिसकी क्रिस्टल संरचना सममित और स्पिन-अपभ्रष्ट (spin-degenerate) है। उन्होंने क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित एक सैद्धांतिक मॉडल का उपयोग यह अनुकरण (simulate) करने के लिए किया कि यदि वे इस सामग्री पर मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश का पल्स मारते हैं तो क्या होगा। प्रकाश को परमाणुओं के एक विशिष्ट कंपन के साथ अनुनाद (resonate) करने के लिए ट्यून किया गया था, जिससे वे बड़े आयामों के साथ दोलन करने लगे। 'नॉनलीनर फोनोनिक्स' (nonlinear phononics) नामक तंत्र के माध्यम से, यह तीव्र दोलन केवल अलग-थलग नहीं रहता; यह एक अन्य कंपन मोड से जुड़ जाता जो सामान्यतः शांत और निष्क्रिय होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन दो मोड के बीच की अंतःक्रिया एक नरम करने वाले बल (softening force) की तरह कार्य करती है। जैसे-जैसे प्रकाश-चालित कंपन बढ़ता है, यह शांत मोड की संरचनात्मक कठोरता को कम कर देता है, जिससे क्रिस्टल अंततः एक नए, विकृत आकार में झुक जाता है। यह विकृति यादृच्छिक नहीं है; यह एक विशिष्ट ज्यामितीय घुमाव है जो सामग्री की व्युत्क्रमण समरूपता (inversion symmetry) को तोड़ता है जबकि विपरीत स्पिनों के बीच संतुलन को बनाए रखता है।
सिमुलेशन ने खुलासा किया कि यह प्रकाश-प्रेरित विकृति एक क्षणिक अवस्था (transient state) बनाती है जहाँ सामग्री अल्टरमैग्नेट की विशिष्ट विशेषताओं को प्रदर्शित करती है। इस नई अवस्था में, इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर उनके संवेग (momentum) के आधार पर विभाजित हो जाते हैं, जो एक ऐसी घटना है जो मूल, undistorted क्रिस्टल में अनुपस्थित थी। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह विभाजन 79 मिलीइलेक्ट्रॉन वोल्ट (millielectronvolts) तक पहुँच सकता है, जो एक महत्वपूर्ण ऊर्जा अंतर है जिसे प्रयोग में आसानी से पहचाना जा सकता है। स्वयं विकृति में क्रिस्टल के भीतर ऑक्सीजन परमाणुओं की एक समन्वित गति शामिल है, जो कायरल (chiral), या हाथ की बनावट (handed) वाले तरीके से घूमते हैं। इसका मतलब है कि प्रकाश पल्स अस्थायी रूप से सामग्री को एक ऐसी संरचना में बदल सकता जिसमें केंद्र की समरूपता का अभाव होता है, जो अल्टरमैग्नेटिक व्यवहार उभरने के लिए आवश्यक शर्त है। अध्ययन से पता चलता है कि प्रकाश पल्स की तीव्रता और अवधि को नियंत्रित करके, विशेष रूप से लगभग 1.0 पिकोसेकंड का पल्स जिसका शिखर विद्युत क्षेत्र 7.4 मेगावोल्ट प्रति सेंटीमीटर है, एक व्यक्ति सामग्री को इस अवस्था में ले जा सकता है और फिर प्रकाश के जाने के बाद इसे अपने मूल रूप में वापस आने दे सकता है।
शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि ये परिणाम वर्तमान में कंप्यूटर सिमुलेशन और सैद्धांतिक गणनाओं पर आधारित हैं, न कि प्रयोगशाला में किए गए किसी भौतिक प्रयोग पर। यह कार्य एक 'प्रूफ ऑफ प्रिंसिपल' (proof of principle) के रूप में कार्य करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि भौतिकी के नियम ऐसे संक्रमण की अनुमति देते हैं और विशिष्ट स्थितियाँ निर्धारित करते हैं जिनके तहत यह हो सकता है। टीम ने उल्लेख किया कि हालांकि उनके द्वारा अध्ययन की गई सामग्री, आयरन टेल्यूरियम ऑक्साइड, इस प्रभाव के लिए आवश्यक गुणों को रखती है, लेकिन आवश्यक मजबूत प्रकाश क्षेत्र वर्तमान प्रयोगात्मक क्षमताओं की सीमाओं को चुनौती दे सकते हैं। वे सुझाव देते हैं कि भविष्य के कार्यों को उन सामग्रियों की तलाश करनी चाहिए जो स्वाभाविक रूप से इस संरचनात्मक अस्थिरता के करीब हों, क्योंकि उन्हें स्विच करने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होगी। इसके अलावा, अध्ययन "हांडेडनेस" (handedness - दाहिने/बाएं हाथ की बनावट) के नियंत्रण की क्षमता को उजागर करता है। चूंकि प्रकाश पल्स एक कायरल संरचना बनाता है, इसलिए यह संभव हो सकता है कि घुमाव के किस संस्करण को बनाया जाए, जिससे संभावित रूप से स्पिन धाराओं के ऑप्टिकल स्विचिंग को नियंत्रित किया जा सके जिसका उपयोग अल्ट्राफास्ट मेमोरी या लॉजिक डिवाइस के लिए किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण सीधे इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के बजाय, उस मंच को नया आकार देकर चुंबकीय अवस्थाओं को हेरफेर करने का एक नया मार्ग प्रदान करता है जिस पर वे चलते हैं।
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