The spin-transfer inverse Faraday effect in Au/YIG thin film bilayers
यह शोध पत्र संभावित टेराहर्ट्ज़-आवृत्ति स्पिंट्रोनिक अनुप्रयोगों के लिए दबे हुए इंटरफेस पर ऑल-ऑप्टिकल स्पिन करंट जनरेशन और हेरफेर के तंत्र को स्पष्ट करने हेतु अल्ट्राफास्ट टाइम-रिज़ॉल्व्ड मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रयोगों का उपयोग करके Au/YIG द्विपरत में स्पिन-ट्रांसफर इनवर्स फैराडे प्रभाव की जांच करता है।
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प्रकाश केवल ऊर्जा ही नहीं ले जाता; यह एक घुमाव भी लेकर चलता है। जब प्रकाश तरंगें यात्रा करते समय घूमती हैं, जिसे सर्कुलर पोलराइजेशन (वृत्ताकार ध्रुवीकरण) के रूप में जाना जाता है, तो उनमें कोणीय संवेग (angular momentum) होता है, बिल्कुल एक घूमते हुए लट्टू की तरह। दशकों से वैज्ञानिक जानते हैं कि यदि आप इस घूमते हुए प्रकाश को कुछ विशेष सामग्रियों पर डालते हैं, तो यह उनके भीतर के सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन को हिला सकता है, जिससे बिना किसी विद्युत धारा की आवश्यकता के एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। यह घटना, जिसे 'इनवर्स फैराडे इफेक्ट' कहा जाता है, प्रकाश के माध्यम से चुंबकत्व को नियंत्रित करने का एक तरीका प्रदान करती है, जो भविष्य में आज की मशीनों की तुलना में अधिक तेज़ और ठंडे कंप्यूटरों की ओर ले जा सकती है। हालाँकि, इस नियंत्रण को चुंबकीय इंसुलेटर (चुंबकीय कुचालक) में प्राप्त करना कठिन रहा है—ऐसी सामग्रियाँ जो बिजली का संचालन नहीं करती हैं लेकिन चुंबकीय जानकारी ले जाने में उत्कृष्ट होती हैं। ये सामग्रियाँ भविष्य की तकनीक के लिए महत्वपूर्ण हैं क्योंकि इनमें ऊर्जा का अपव्यय बहुत कम होता है, लेकिन वे जिद्दी भी हैं; वे प्रकाश को आसानी से अवशोषित नहीं करती हैं, जिससे प्रकाश का उपयोग करके उनकी चुंबकीय अवस्था को सीधे बदलना कठिन हो जाता है।
ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी और फ्लोरिडा इंटरनेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग सामग्रियों का एक 'सैंडविच' बनाकर इस समस्या का एक चतुर समाधान खोजा है। उन्होंने यट्रियम आयरन गैरनेट (yttrium iron garnet), जो एक चुंबकीय इंसुलेटर है, की एक पतली परत के ठीक ऊपर सोने (gold) की एक पतली परत रखी, जो प्रकाश के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करने वाली धातु है। सोने पर इन्फ्रारेड प्रकाश का एक पल्स (स्पंदन) डालकर, वे प्रकाश की घूमने वाली ऊर्जा को सोने में स्थानांतरित करने में सक्षम रहे, जिसने फिर उस ऊर्जा को चुंबकीय इंसुलेटर में सीमा पार करके स्थानांतरित कर दिया। इस प्रक्रिया को, जिसे वे 'स्पिन-ट्रांसफर इनवर्स फैराडे इफेक्ट' कहते हैं, ने उन्हें प्रकाश के माध्यम से इंसुलेटर के चुंबकत्व को नियंत्रित करने की अनुमति दी, भले ही प्रकाश की ऊर्जा स्वयं इंसुलेटर द्वारा अवशोषित होने के लिए बहुत कम थी। टीम ने प्रदर्शित किया कि यह तरीका नैनोमीटर पैमाने पर काम करता है, जो केवल कुछ ट्रिलियनवें हिस्से के सेकंड में इंसुलेटर की चुंबकीय अवस्था को बदल देता है, और ऐसा उन्होंने बिना सामग्री को महत्वपूर्ण रूप से गर्म किए किया, जो अन्य विधियों में एक आम समस्या है।
यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, सबसे पहले सामग्रियों को देखना होगा। शोधकर्ताओं ने एक क्रिस्टल आधार पर केवल दस और पंद्रह नैनोमीटर मोटी यट्रियम आयरन गैरनेट की अत्यंत पतली फिल्में उगाईं। फिर उन्होंने इसके ऊपर पांच नैनोमीटर की सोने की परत जमा की। अपने सेटअप का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने एक विशेष लेजर सिस्टम का उपयोग किया जो प्रकाश की दो किरणें छोड़ता है: एक मजबूत "पंप" बीम जो सामग्री को उत्तेजित करती है और एक कमजोर "प्रोब" बीम जो यह मापती है कि क्या हुआ। वे पंप बीम के ध्रुवीकरण को बदल सकते थे, जिससे वह या तो बाईं ओर या दाईं ओर घूमती थी, या उसे सीधा रख सकते थे। जब उन्होंने सोने की परत पर एक सीधी, बिना घूमती हुई प्रकाश किरण छोड़ी, तो सामग्री थोड़ी गर्म हो गई। इस गर्मी ने इंसुलेटर से धातु की ओर चुंबकीय जानकारी के प्रवाह को जन्म दिया, जो एक ज्ञात प्रभाव है जिसे 'लॉन्जिट्यूडिनल स्पिन सीबेक इफेक्ट' कहा जाता है। इसने एक आधार रेखा (baseline) के रूप में कार्य किया, जो यह दिखाता है कि केवल गर्मी शामिल होने पर दोनों सामग्रियाँ आपस में कैसे संवाद करती हैं।
असली खोज तब हुई जब उन्होंने घूमते हुए प्रकाश का उपयोग किया। जब उन्होंने दाईं ओर घूमने वाले प्रकाश का उपयोग किया, तो सोने की परत ने एक विशिष्ट प्रकार का चुंबकीय धक्का उत्पन्न किया। जब उन्होंने प्रकाश को बाईं ओर घूमने के लिए बदला, तो धक्का विपरीत दिशा में गया। इन दो विपरीत स्पिनों के परिणामों की तुलना करके, टीम ने केवल गर्मी के कारण होने वाले शोर को हटाकर, शुद्ध प्रकाश के घुमाव के कारण होने वाले प्रभाव को अलग किया। उन्होंने पाया कि इस घूमते हुए प्रकाश ने सोने में एक ऐसा चुंबकीय संकेत पैदा किया जो अकेले सोने में देखे गए संकेत से काफी अधिक मजबूत था। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह संकेत केवल सोने में ही नहीं रहा; यह सीमा को पार कर गया और नीचे स्थित यट्रियम आयरन गैएरनेट के चुंबकत्व को बदल दिया।
शोधकर्ता इस बात को सिद्ध करने के लिए सावधान थे कि यह परिवर्तन केवल नमूने को गर्म करने का एक दुष्प्रभाव नहीं था। उन्होंने यह मापने के लिए कि सिग्नल कैसे बदलता है, लेजर की शक्ति को बढ़ाया। यदि यह प्रभाव पूरी तरह से तापीय (thermal) होता, तो सिग्नल एक विशिष्ट, अनुमानित तरीके से बढ़ता जो गर्मी के प्रसार से संबंधित होता। इसके बजाय, उन्होंने पाया कि सिग्नल एक ऐसे पैटर्न में बढ़ा जो इंसुलेटर के भीतर चुंबकीय तरंगों, जिन्हें 'मैग्नोन' (magnons) कहा जाता है, के व्यवहार से मेल खाता था। इसने पुष्टि की कि प्रकाश सीधे सोने के माध्यम से इंसुलेटर के चुंबकीय क्रम को उत्तेजित कर रहा था, न कि केवल उसे गर्म कर रहा था। उन्होंने यह भी देखा कि प्रकाश के स्पिन की दिशा के आधार पर इंसुलेटर की चुंबकीय अवस्था बदल गई या स्थानांतरित हो गई, जो फोटॉन के कोणीय संवेग के सामग्री के चुंबकीय स्पिन में स्थानांतरित होने का एक स्पष्ट संकेत है।
यह प्रयोग महत्वपूर्ण है क्योंकि यह चुंबकीय इंसुलेटर को नियंत्रित करने का एक नया तरीका दिखाता है, जो भविष्य के कम-शक्ति वाले मेमोरी और लॉजिक डिवाइस के निर्माण खंड हैं। पहले, इन सामग्रियों को नियंत्रित करने के लिए उच्च-शक्ति वाले लेजर या मोटी परतों की आवश्यकता होती थी, जो उन्हें छोटे, तेज़ इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए अव्यवहारिक बनाता था। टीम ने दिखाया कि वे बहुत कम शक्ति स्तर का उपयोग करके इस नियंत्रण को प्राप्त कर सकते हैं, जिसमें केवल 6.8 जूल प्रति वर्ग मीटर का ऊर्जा घनत्व वाला प्रकाश पल्स उपयोग किया गया, जो पिछले अध्ययनों की तुलना में बहुत कम है। उन्होंने यह हासिल किया क्योंकि उन्होंने सोने की परत का उपयोग एक मध्यस्थ (mediator) के रूप में किया, जो एक ट्रांसड्यूसर की तरह काम करता है जो प्रकाश की ऊर्जा को पकड़ता है और उसे इंसुलेटर को सौंप देता है। यह पूरी प्रक्रिया अविश्वसनीय रूप से तेज़ होती है, जिसमें चुंबकीय परिवर्तन कुछ पिकोसेकंड (यानी, एक सेकंड के कुछ ट्रिलियनवें हिस्से) के भीतर होता है, और सिस्टम कुछ ही समय के बाद अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाता है।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि दोनों सामग्रियाँ परमाणु स्तर पर कैसे परस्पर क्रिया करती हैं। अलग-अलग समय पर चुंबकीय प्रतिक्रिया को मापकर, टीम घटनाओं के क्रम को देख सकी: प्रकाश सोने से टकराता है, सोने के इलेक्ट्रॉन लगभग तुरंत प्रतिक्रिया करते हैं, और फिर चुंबकीय प्रभाव इंसुलेटर में प्रवेश करता है। उन्होंने पाया कि इस अंतःक्रिया की ताकत सोने और इंसुलेटर के बीच की सीमा की गुणवत्ता पर निर्भर करती है। यदि इंटरफेस (सीमा) साफ और सुव्यवस्थित है, तो स्पिन का स्थानांतरण कुशल होता है। यह सुझाव देता है कि इन परतों को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वैज्ञानिक ऐसे उपकरण डिजाइन कर सकते हैं जो बहुत कम ऊर्जा और उच्च गति के साथ चुंबकीय जानकारी को लिखने और मिटाने के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं।
हालांकि शोधकर्ताओं ने अन्य मोटी सामग्रियों में देखे जाने वाले लयबद्ध पैटर्न में चुंबकीय तरंगों को आगे-पीछे दोलन करते हुए नहीं देखा, लेकिन उन्होंने चुंबकीय अवस्था में एक स्पष्ट और स्थायी परिवर्तन देखा। यह इंगित करता है कि 'स्पिन-ट्रांसफर इनवर्स फैराडे इफेक्ट' पतली फिल्मों में चुंबकत्व को नियंत्रित करने के लिए एक मजबूत तंत्र है। यह कार्य इन्फ्रारेड प्रकाश का उपयोग करके चुंबकीय इंसुलेटर को नियंत्रित करने का मार्ग प्रशस्त करता है, जो अगली पीढ़ी के स्पिंट्रोनिक उपकरणों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हो सकता है। ये उपकरण इलेक्ट्रॉनों के आवेश के बजाय उनके स्पिन पर निर्भर करेंगे, जिससे संभावित रूप से ऐसे कंप्यूटर बनेंगे जो तेज़, अधिक कुशल और सूचना को उन तरीकों से संसाधित करने में सक्षम होंगे जो वर्तमान तकनीक नहीं कर सकती। निष्कर्ष बताते हैं कि इन क्षमताओं को अनलॉक करने की कुंजी धातुओं और चुंबकीय इंसुलेटर के बीच के इंटरफेस को समझने और उसमें महारत हासिल करने में निहित है, जिससे सोने की एक साधारण परत को चुंबकत्व की अदृश्य दुनिया को नियंत्रित करने के एक शक्तिशाली उपकरण में बदला जा सकता है।
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