Ultrafast Polar Topology Reversal via THz-Driven Inertial Switching
मल्टीस्केल मॉडलिंग का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि THz-संचालित जड़त्वीय स्विचिंग (inertial switching), स्थानिक मॉड्यूलेशन को संरक्षित करते हुए ऊर्जा बाधाओं को दूर करने के लिए डैम्पिंग-सहायता प्राप्त गतिकी (damping-assisted dynamics) का लाभ उठाकर, फेरोइलेक्ट्रिक नैनोकैपेसिटरों में डिजेनरेट पोलर टोपोलॉजिकल अवस्थाओं को उत्क्रमणीय और अतिशीघ्र (पिकोसेकंड के भीतर) रूप से पलट सकती है।
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हमारी आधुनिक दुनिया को शक्ति देने वाले सूक्ष्म सर्किटों के भीतर, फेरोइलेक्ट्रिक्स (ferroelectrics) नामक सामग्रियों का एक वर्ग मौजूद है। ये विशेष क्रिस्टल हैं जिनमें एक अंतर्निहित विद्युत ध्रुवीकरण (electrical polarization) होता है, जिसका अर्थ है कि उनके आंतरिक सकारात्मक और नकारात्मक आवेश स्थायी रूप से अलग होते हैं, जिससे एक सूक्ष्म आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनता है। दशकों से, इंजीनियर डेटा संग्रहीत करने के लिए इस आंतरिक क्षेत्र को आगे-पीछे पलटने की क्षमता पर निर्भर रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक चुंबक उत्तर या दक्षिण की ओर संकेत कर सकता है। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने हाल ही में खोजा है कि इन सामग्रियों की बहुत पतली परतों में, ध्रुवीकरण एक ही दिशा में संकेत करने के बजाय जटिल, घूमते हुए पैटर्न में व्यवस्थित हो सकता है। ये पैटर्न, जो भंवर (vortices) या सर्पिल (spirals) के समान होते हैं, टोपोलॉजिकल संरचनाएं (topological structures) कहलाते हैं। वे सूचना संग्रहीत करने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं, जो संभावित रूप से अधिक सघन और कुशल उपकरणों की अनुमति दे सकते हैं। चुनौती हमेशा उन्हें नियंत्रित करने की रही है। जबकि एक साधारण विद्युत क्षेत्र एक समान ध्रुवीकरण को पलट सकता है, यह इन जटिल, घूमते हुए पैटर्न को उलटने में संघर्ष करता है क्योंकि विद्युत क्षेत्र समान होता है, जबकि पैटर्न कई अलग-अलग दिशाओं में संकेत करने वाले द्विध्रुवों (dipoles) से बना होता है।
वेस्टलेक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सरल उपकरण और उच्च-आवृत्ति ऊर्जा के एक झोंके का उपयोग करके इस सीमा को पार करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने प्लैटिनम इलेक्ट्रोडों से बने एक बुनियादी सैंडविच स्ट्रक्चर पर ध्यान केंद्रित किया, जिसके बीच में लेड टाइटेनेट (lead titanate) की एक पतली परत है। इस परत की मोटाई और इस पर डाले गए खिंचाव (strain) को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे इस सामग्री के ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) को नरम करने में सक्षम रहे। इस कोमलता ने सामग्री को ऐसी स्थिति में बैठने की अनुमति दी जहाँ ध्रुवीकरण आसानी से घूम सके, जिससे जटिल बहुपरत डिजाइनों की आवश्यकता के बिना भंवर व्यवस्था (vortex arrays) और द्विध्रुवीय तरंगों (dipole waves) सहित विभिन्न जटिल बनावटों का निर्माण हुआ। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि वे टेराहर्ट्ज़ विकिरण (terahertz radiation)—जो माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड प्रकाश के बीच स्थित एक प्रकार की विद्युत चुंबकीय तरंग है—के एक एकल पल्स का उपयोग करके मात्र कुछ पिकोसेकंड (पिकोसेकंड—ट्रिलियन सेकंड) में पूरे टोपोलॉजिकल पैटर्न को उलट सकते हैं।
उन्होंने जो प्रक्रिया देखी वह प्रति-सहज (counterintuitive) है। सामान्यतः, किसी स्विच को पलटने के लिए, आप उसे उस दिशा में धकेलते हैं जहाँ आप उसे ले जाना चाहते हैं। यहाँ, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा विद्युत पल्स लागू किया जो स्वाभाविक रूप से प्रारंभिक अवस्था की तुलना में अंतिम अवस्था का पक्ष नहीं लेता था। इसके बजाय, पल्स ने एक अचानक, तीव्र किक की तरह काम किया जिसने सिस्टम में ऊर्जा इंजेक्ट की, जिससे आंतरिक द्विध्रुव एक उथले ऊर्जा अवरोध (energy barrier) के पार तेजी से घूमने लगे। एक बार जब पल्स निकल गया, तो सामग्री के भीतर प्राकृतिक घर्षण, जिसे डैम्पिंग (damping) कहा जाता है, ने अतिरिक्त ऊर्जा को हटा दिया और द्विध्रुवों को उनकी नई, उलटी स्थितियों में फँसा दिया। इस तंत्र को, जिसे लेखक 'डैम्पिंग-असिस्टेड इनर्शियल स्विचिंग' (damping-assisted inertial switching) के रूप में वर्णित करते हैं, ने उन्हें पूरे जटिल पैटर्न को बार-बार आगे-पीछे पलटने की अनुमति दी। अपने सिमुलेशन में, केवल दो पिकोसेकंड का पल्स लगभग सभी स्थानीय द्विध्रुवों की दिशा को उलटने के लिए पर्याप्त था, जबकि पैटर्न के समग्र आकार को सुरक्षित रखा गया।
यह खोज महत्वपूर्ण क्यों है, इसका कारण यह है कि यह एक सरल टू-टर्मिनल डिवाइस (two-terminal device) में काम करती है, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली सबसे सामान्य ज्यामिति है, न कि उन विस्तृत, बहु-परतीय संरचनाओं की आवश्यकता होती है जो आमतौर पर इन टोपोलॉजिकल अवस्थाओं को बनाने के लिए आवश्यक होती हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि फिल्म की मोटाई को लगभग 2.7 नैनोमीटर तक ट्यून करके और एक मामूली खिंचाव लागू करके, वे एक रोंबोहेड्रल-जैसे (rhombohedral-like) राज्य को स्थिर कर सकते हैं जो अत्यधिक ध्रुवीकृत और घूमने में आसान है। इस अवस्था ने जटिल बनावटों के लिए आधार के रूप में कार्य किया। जब उन्होंने 0.5 टेराहर्ट्ज़ की आवृत्ति और 1 मेगावोल्ट प्रति सेंटीमीटर के पीक फील्ड के साथ एक टेराहर्ट्ज़ पल्स लागू किया, तो सिस्टम दो समान टोपोलॉजिकल वेरिएंट्स के बीच स्विच हुआ। स्विचिंग मजबूत और प्रतिवर्ती (reversible) थी; उसी पल्स को फिर से लगाने से सिस्टम अपनी मूल अवस्था में वापस आ गया।
यह अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि इस रिवर्सल की सफलता पल्स द्वारा इंजेक्ट की गई ऊर्जा और सामग्री द्वारा नष्ट की गई ऊर्जा के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है। यदि पल्स बहुत कमजोर है, तो द्विध्रुव अवरोध को पार नहीं कर पाएंगे। यदि यह बहुत मजबूत है, या यदि डैम्पिंग बहुत कम है, तो द्विध्रुव अवरोध को पार कर सकते हैं और फिर वापस लौटकर शुरुआत में आ सकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक इष्टतम आवृत्ति (optimal frequency) मौजूद है जहाँ ऊर्जा का हस्तांतरण सबसे कुशल होता है, जिससे न्यूनतम संभव फील्ड स्ट्रेंथ के साथ स्विच होना संभव हो जाता है। यह व्यवहार इस तरह है जैसे एक छोटा, तीव्र धक्का एक घूमते हुए लट्टू को एक नई दिशा में भेज सकता है, बशर्ते कि घर्षण उसे वापस घूमने से रोक दे। परिणाम बताते हैं कि सरल नैनोकैपेसिटर (nanocapacitors), प्रोग्राम करने योग्य पोलर टोपोलॉजी के लिए एक मंच के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो जटिल इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं के अत्यंत तीव्र, कम-शक्ति वाले नियंत्रण की ओर एक मार्ग प्रशस्त करते हैं। ऊर्जा इंजेक्शन और अपव्यय (dissipation) की गतिशीलता का लाभ उठाकर, यह कार्य पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में कहीं अधिक गति से सामग्रियों की आंतरिक वास्तुकला को नियंत्रित करने का एक नया मार्ग खोलता है।
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