Current-driven transient dynamics of magnetic-octupole domain walls in noncollinear antiferromagnets

तेज, छोटे और अधिक कुशल कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से सामग्रियों के चुंबकीय गुणों की ओर देखते रहे हैं। दशकों तक, उद्योग डेटा को संग्रहीत करने के लिए फेरोमैग्नेट्स (ferromagnets) पर निर्भर रहा है, वही सामग्रियां जो फ्रिज के दरवाजों से चिपक जाती हैं। हालांकि, इन सामग्रियों में एक महत्वपूर्ण कमी है: वे बिखरे हुए चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं जो सूचना के पड़ोसी बिट्स में हस्तक्षेप कर सकते हैं, और वे अवस्थाओं को अपेक्षाकृत धीरे बदलते हैं। इसे दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान एंटीफेरोमैग्नेट्स (antiferromagnets) की ओर केंद्रित किया है। अपने फेरोमैग्नेटिक चचेरे भाइयों के विपरीत, एंटीफेरोमैग्नेट्स में कोई शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है, जो उन्हें हस्तक्षेप से मुक्त बनाता है और अविश्वसनीय रूप से उच्च गति पर अवस्थाओं को बदलने में सक्षम बनाता है। चुनौती यह रही है कि चूंकि उनमें कोई शुद्ध चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है, इसलिए उन्हें मानक विद्युत विधियों का उपयोग करके नियंत्रित या पता लगाना बहुत कठिन होता है। एक महत्वपूर्ण सफलता नॉनकोलिनियर एंटीफेरोमैग्नेट्स (noncollinear antiferromagnets) की खोज के साथ आई, जो सामग्रियों का एक विशिष्ट वर्ग है जहाँ आंतरिक चुंबकीय स्पिन एक ही दिशा में होने के बजाय एक जटिल, त्रिकोणीय पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। यह अनूठी व्यवस्था सामग्री को विद्युत धाराओं के प्रति इस तरह से प्रतिक्रिया करने की अनुमति देती है जिसे मापा और नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे अगली पीढ़ी के अल्ट्राफास्ट मेमोरी और लॉजिक डिवाइसों का द्वार खुल जाता है।

हालिया शोध का केंद्र Mn3Sn नामक एक विशिष्ट सामग्री रहा है, जिसमें ये जटिल चुंबकीय पैटर्न मौजूद हैं। इस सामग्री में, चुंबकीय संरचना केवल स्पिन का एक सरल संरेखण नहीं है बल्कि इसे 'मैग्नेटिक ऑक्टुपोल ऑर्डर' (magnetic octupole order) नामक गुण द्वारा वर्णित किया जाता है। कल्पना कीजिए कि चुंबकीय बनावट पहाड़ियों और घाटियों के परिदृश्य की तरह है; Mn3Sn में, ये बनावट डोमेन (domains) नामक विशिष्ट क्षेत्र बनाती हैं, जो डोमेन वॉल (domain walls) के रूप में जानी जाने वाली सीमाओं द्वारा अलग होती हैं। वैज्ञानिक पहले ही दिखा चुके हैं कि वे विद्युत धाराओं का उपयोग करके इन दीवारों को इधर-उधर धकेल सकते हैं, जो डेटा लिखने के लिए एक आवश्यक प्रक्रिया है। हालांकि, एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: उस सूक्ष्म क्षण में क्या होता है जब विद्युत धक्का रुक जाता है? क्या दीवार तुरंत रुक जाती है, या क्या वह कुछ दूरी तक चलती रहती है? इस क्षणिक व्यवहार को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि बिजली का कमांड देने के बाद दीवार चलती रहती है, तो यह अपने लक्ष्य से आगे निकल सकती है, जिससे डेटा स्टोरेज में त्रुटियां हो सकती हैं।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने ठीक से जांच की कि जब Mn3Sn में विद्युत धाराओं द्वारा संचालित किया जाता है, तो ये चुंबकीय दीवारें कैसे व्यवहार करती हैं। उन्होंने दो प्रकार की सीमाओं पर ध्यान केंद्रित किया: एक सरल दीवार जो दो चुंबकीय क्षेत्रों को एक छोटे कोण द्वारा अलग करती है, और एक अधिक जटिल दीवार जो बहुत बड़े कोण तक फैली होती है। सूक्ष्म स्तर पर सामग्री के भौतिकी को मॉडल करने वाले उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, टीम ने इन दीवारों की गति को अत्यधिक सटीकता के साथ ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि जब एक करंट पल्स सरल दीवार को धकेलता है, तो बिजली कटते ही वह तुरंत नहीं रुकती है। इसके बजाय, दीवार एक संक्षिप्त अवधि के लिए चलती रहती है, और रुकने से पहले एक छोटी लेकिन मापने योग्य दूरी तय करती है। यह देरी यादृच्छिक नहीं है; यह दीवार के आसपास के चुंबकीय क्षेत्रों के कारण होती है। विद्युत धारा इन आसपास के क्षेत्रों को थोड़ा घुमा देती है। जब करंट रुकता है, तो दीवार अभी भी इस अवशिष्ट घूर्णन द्वारा धकेली जा रही होती है, ठीक वैसे ही जैसे एक नाव इंजन बंद होने के बाद भी आगे बढ़ती रहती है क्योंकि उसके आसपास का पानी अभी भी चल रहा होता है।

शोधकर्ता यह गणना करने में सक्षम थे कि यह "कोस्टिंग" (coasting) कितनी देर तक चलती है। सरल दीवार के लिए, गति धीमी होती है और लगभग 33 पिकोसेकंड (picoseconds) में रुक जाती है, एक ऐसा समय पैमाना जो इतना छोटा है कि इसे ट्रिलियनवें हिस्से में मापा जाता है। यह अवधि सामग्री के स्वाभाविक प्रतिरोध और इसकी चुंबकीय कठोरता (magnetic stiffness) द्वारा निर्धारित होती है। टीम ने पुष्टि की कि यह व्यवहार सामग्री के विभिन्न प्रकार के सरल दीवारों में सुसंगत है, चाहे उनका विशिष्ट ओरिएंटेशन कुछ भी हो, जो एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह एक अनुमानित और समान प्रतिक्रिया का सुझाव देता है। यह भविष्यवाणी इंजीनियरों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जिन्हें नैनोसेकंड की सटीकता के साथ काम करने वाले उपकरण डिजाइन करने होते हैं।

कहानी तब और अधिक जटिल हो जाती है जब हम बड़ी, अधिक जटिल दीवार को देखते हैं। यह दीवार एक एकल इकाई नहीं है बल्कि वास्तव में तीन छोटी दीवारों से बनी एक संयुक्त संरचना है जो आपस में जुड़ी हुई हैं। जब शोधकर्ताओं ने एक संयुक्त दीवार पर करंट पल्स लगाया, तो उन्होंने एक दो-चरणीय विश्राम प्रक्रिया (two-stage relaxation process) की खोज की। पहला चरण एक त्वरित ठहराव है, जो सरल दीवार के समान है, जो लगभग 26 पिकोसेकंड में होता है। हालांकि, इसके बाद एक दूसरा, बहुत धीमा चरण आता है, जो लगभग 225 पिकोसेकंड तक चलता है। यह धीमा चरण संयुक्त दीवार के आंतरिक तंत्र के कारण होता है। जब करंट चालू होता है, तो संयुक्त दीवार को बनाने वाली तीन छोटी दीवारें एक-दूसरे के सापेक्ष अपनी स्थिति बदलती हैं, जिससे दीवार अपनी साम्यावस्था (equilibrium) के आकार से खिंच जाती है। जब करंट रुकता है, तो दीवार केवल हिलना बंद नहीं करती; बल्कि उसे खुद को सुलझाना भी पड़ता है, जिससे आंतरिक भाग अपनी उचित रिक्ति (spacing) में वापस आ सकें। यह आंतरिक पुनर्गठन दीवार की समग्र गति के रुकने की तुलना में काफी अधिक समय लेता है, जिससे एक एकल दीवार की तुलना में पूर्ण विराम तक पहुँचने में लगने वाला समय प्रभावी रूप से दोगुना हो जाता है।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि वैज्ञानिक सामग्री के गुणों को समायोजित करके यह नियंत्रित कर सकते हैं कि करंट रुकने के बाद दीवार कितनी दूर तक जाती है। चुंबकीय बंधों की कठोरता या सामग्री की आंतरिक चुंबकीय प्राथमिकताओं की ताकत को बदलकर, वे इस पोस्ट-पल्स (post-pulse) गति को नियंत्रित कर सकते थे। विशेष रूप से, उन्होंने पाया कि सामग्री में हल्का तनाव (strain) डालना, जो इसकी चुंबकीय प्राथमिकताओं को बदल देता है, इस पोस्ट-पल्स मूवमेंट को समायोजित करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करता है। नियंत्रण का यह स्तर डेटा बिट्स को सटीक रूप से रखने के लिए आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि सरल दीवार के लिए, सिस्टम लगभग 100 पिकोसेकंड के भीतर अपनी अंतिम स्थिति में स्थिर हो जाता है, जबकि जटिल दीवार को पूरी तरह से स्थिर होने के लिए लगभग 550 पिकोसेकंड की आवश्यकता होती है।

ये निष्कर्ष उन अदृश्य बलों का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करते हैं जो एंटीफेरोमैग्नेट्स में विद्युत धाराओं द्वारा चुंबकीय संरचनाओं को संचालित करते समय सक्रिय होते हैं। यह कार्य सामग्री के दो अलग-अलग तरीकों की पहचान करता है जिनसे वह विश्राम (relax) करती है: एक तेज़ प्रतिक्रिया जो आसपास के चुंबकीय परिदृश्य के घूर्णन द्वारा संचालित होती है, और एक धीमी प्रतिक्रिया जो जटिल दीवार संरचनाओं के आंतरिक पुनर्गठन द्वारा संचालित होती है। इन समय-सीमाओं (timescales) को मापकर और यह दिखाकर कि उन्हें कैसे नियंत्रित किया जा सकता है, यह अध्ययन इन उपकरणों के संचालन की अधिकतम गति और सटीकता की सीमाओं को स्थापित करता है। यह पुष्टि करता है कि हालांकि ये सामग्रियां अल्ट्राफास्ट कंप्यूटिंग का वादा करती हैं, लेकिन डेटा को बिल्कुल वहीं लिखा जाए जहां इसे इरादा गया है, बिना किसी ओवरशूट या शेष गति के, इसके लिए चुंबकीय बनावट की आंतरिक गतिशीलता को सावधानीपूर्वक प्रबंधित किया जाना चाहिए।