Pressure-correlation phase diagram unraveling quantum phase transitions in altermagnetic $\epsilon$-FeOOH and realization of piezo-anomalous Hall effect

पृथ्वी की गहराइयों में, चट्टानों और गर्मी के भारी दबाव के नीचे, खनिज उन तरीकों से व्यवहार करते हैं जो सतह पर असंभव लगते हैं। वे सिकुड़ सकते हैं, अपनी आंतरिक संरचना बदल सकते हैं, या अपने सूक्ष्म चुंबकीय हिस्सों के संरेखण (alignment) को भी बदल सकते हैं। यह उच्च-दबाव भौतिकी (high-pressure physics) का क्षेत्र है, जो इस बात को समझने के लिए समर्पित है कि जब पदार्थ को दबाया जाता है तो वह कैसे परिवर्तित होता है। इस क्षेत्र में सबसे आकर्षक सामग्रियों में से एक आयरन ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड्स (iron oxyhydroxides) हैं, जो लोहे, ऑक्सीजन और हाइड्रोजन वाले खनिज हैं। ये यौगिक केवल भूगर्भीय जिज्ञासाएँ नहीं हैं; वे क्वांटम भौतिकी के लिए प्रयोगशालाएँ हैं। जब इन्हें दबाया जाता है, तो इनके भीतर के इलेक्ट्रॉन एक अवस्था से दूसरी अवस्था में जा सकते हैं, जिससे सामग्री एक चुंबक से गैर-चुंबक में, या बिजली को रोकने वाले इंसुलेटर से बिजली को प्रवाहित करने वाले कंडक्टर में बदल सकती है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि दबाव इन परिवर्तनों को प्रेरित कर सकता है, लेकिन यह बदलाव कैसे होते हैं, इसका सटीक मानचित्र और उन्हें संचालित करने वाली ताकतें क्या हैं, यह एक पहेली बना हुआ था।

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान मद्रास के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब 'एप्सिलॉन-एफईओओएच' (epsilon-FeOOH) नामक एक विशिष्ट खनिज के लिए इन रूपांतरणों का एक विस्तृत मानचित्र तैयार किया है। अत्यधिक दबाव के प्रभावों की नकल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके, उन्होंने खोजा कि यह खनिज दबने पर केवल एक या दो बार नहीं बदलता है; बल्कि यह दबाव-चालित स्विचों की एक श्रृंखला से गुजरता है। अध्ययन से पता चलता है कि यह खनिज तीन महत्वपूर्ण दबाव बिंदुओं से गुजरता है जहाँ इसकी मौलिक प्रकृति बदल जाती है। पहले महत्वपूर्ण बिंदु पर, इलेक्ट्रॉन खुद को पुनर्गठित करते हैं, जिससे सामग्री 'हाई-स्पिन' अवस्था (जहाँ चुंबकीय क्षण बड़े होते हैं) से 'लो-स्पall-स्पिन' अवस्था (जहाँ वे छोटे होते हैं) में बदल जाती है। यह बदलाव केवल एक चुंबकीय परिवर्तन नहीं है; यह इस तरह से भी सामग्री के विद्युत चालन को बदल देता है कि वह एक प्रकार के इंसुलेटिंग व्यवहार से दूसरे में चली जाती है। दूसरे महत्वपूर्ण दबाव पर, खनिज की क्रिस्टल संरचना ही बदल जाती है, जो एक गैर-सममित व्यवस्था से एक पूर्णतः सममित (symmetrical) व्यवस्था में स्थानांतरित हो जाती है। अंत में, तीसरे महत्वपूर्ण बिंदु पर, वह दिशा जिसमें सामग्री का आंतरिक चुंबकत्व निर्देशित होता है, फिर से बदल जाती है।

यह खोज विशेष रूप से रोमांचक है क्योंकि इसमें आंतरिक परिवर्तनों और 'एनोमलस हॉल इफेक्ट' (anomalous Hall effect) नामक एक घटना के बीच संबंध है। सरल शब्दों में, यह प्रभाव बताता है कि कैसे एक सामग्री बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के बिना भी, इसके माध्यम से विद्युत प्रवाह होने पर, इसकी चौड़ाई के आर-पार वोल्टेज उत्पन्न कर सकती है। आमतौर पर, यह विशिष्ट चुंबकीय गुणों वाली सामग्रियों में होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि एप्सिलॉन-एफईओओएच विशेष है क्योंकि यह दबाव लगाने मात्र से इस प्रभाव को चालू या बंद कर सकता है, और यहाँ तक कि वोल्टेज की दिशा भी बदल सकता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि इस सामग्री में 'अल्टरमैग्नेटिज्म' (altermagnetism) नामक एक अद्वितीय चुंबकीय क्रम होता है, जहाँ चुंबकीय स्पिन इस तरह व्यवस्थित होते हैं कि वे कुछ शर्तों के तहत इस प्रकार की विद्युत प्रतिक्रिया की अनुमति देते हैं। अध्ययन से पता चलता है कि खनिज को अलग-अलग डिग्री तक दबाकर, कोई कम दबाव पर 'एनोमलस हॉल इफेक्ट' को चालू कर सकता है और उच्च दबाव पर इसकी दिशा को घुमा सकता है। यह एक ऐसी प्रक्रिया बनाता है जिसे लेखक "पीज़ो-एनोमलस हॉल इफेक्ट" (piezo-anomalous Hall effect) कहते हैं, जो यांत्रिक बल का उपयोग करके बिजली को नियंत्रित करने का एक तरीका है।

शोधकर्ता इन निष्कर्षों पर एक आभासी मॉडल बनाकर और गणनाओं में बढ़ते दबाव के स्तरों के अधीन करके पहुँचे। उन्होंने ट्रैक किया कि इलेक्ट्रॉन कैसे चलते हैं, परमाणु कैसे स्थानांतरित होते हैं, और चुंबकीय बल कैसे बदलते हैं। उन्होंने पाया कि हाई-स्पिन से लो-स्पिन अवस्था में संक्रमण दो बलों के बीच प्रतिस्पर्धा से प्रेरित होता है: 'क्रिस्टल फील्ड' (जो आसपास के परमाणुओं द्वारा निर्मित विद्युत वातावरण है), और 'हुंड्स कपलिंग' (Hund's coupling, एक क्वांटम नियम जो इलेक्ट्रॉनों को समानांतर स्पिन रखने के लिए प्रेरित करता है)। जैसे-जैसे दबाव बढ़ता है, क्रिस्टल फील्ड मजबूत होता जाता है, जो अंततः हुंड्स कपलिंग पर हावी हो जाता है और इलेक्ट्रॉनों को लो-स्पिन अवस्था में धकेल देता है। यह संक्रमण उस दबाव पर होता है जो इस बात पर निर्भर करता है कि इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे को कितनी मजबूती से प्रतिकर्षित (repel) करते हैं। इसके विपरीत, गैर-सममित से सममित चरण में संरचनात्मक परिवर्तन एक ऐसे दबाव पर होता है जो इन इलेक्ट्रॉन इंटरैक्शन से काफी हद तक अप्रभावित रहता है, जो लगभग 45 गीगापास्कल पर होता है। यह संरचनात्मक बदलाव पिछले प्रयोगात्मक अवलोकनों के अनुरूप है, जो शोधकर्ताओं को उनके मॉडल पर विश्वास दिलाता है।

अध्ययन सामग्री के आंतरिक चुंबकत्व की दिशा, जिसे 'स्पिन क्वांटाइजेशन एक्सिस' (spin quantization axis) कहा जाता है, को भी स्पष्ट करता है। कम दबाव पर, चुंबकीय क्षण एक दिशा में होते हैं, लेकिन जैसे-जैसे दबाव बढ़ता है, वे एक विशिष्ट सीमा के बाद दूसरी दिशा में मुड़ जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री केवल तभी 'एनोमलस हॉल इफेक्ट' प्रदर्शित करती है जब ये चुंबकीय क्षण कुछ विशिष्ट अक्षों (axes) के साथ संरेखित होते हैं। जब क्षण एक अक्ष के साथ होते हैं, तो प्रभाव शून्य होता है। जब वे दूसरे अक्ष पर स्विच करते हैं, तो प्रभाव चालू हो जाता है। जब वे उच्च दबाव पर फिर से स्विच करते हैं, तो प्रभाव की दिशा घूम जाती है। चुंबकीय और विद्युत गुणों को एक साथ हेरफेर करने के लिए इस प्रकार का सटीक नियंत्रण, एप्सिलॉन-एफईओओएच को भविष्य की उन तकनीकों के लिए एक अनूठा पदार्थ बना सकता है जो चुंबकीय और विद्युत गुणों को एक साथ नियंत्रित करने पर निर्भर करती हैं। यह कार्य एक पूर्ण 'फेज डायग्राम' प्रदान करता है, जो दिखाता है कि ये संक्रमण कहाँ होते हैं और वे अंतर्निहित क्वांटम बलों से कैसे जुड़े हुए हैं।

इस शोध के प्रमुख योगदानों में से एक हालिया प्रयोगात्मक निष्कर्षों का सत्यापन करना और लुप्त सैद्धांतिक अंतराल को भरना है। पहले के अध्ययनों ने संरचनात्मक परिवर्तनों और स्पिन संक्रमण के संकेतों को देखा था, लेकिन ये घटनाएँ एक-दूसरे से कैसे संबंधित हैं, इसकी पूरी तस्वीर स्पष्ट नहीं थी। सिमुलेशन दिखाते हैं कि संरचनात्मक परिवर्तन और स्पिन क्रॉसओवर अलग-अलग दबावों पर होते हैं, जिससे एक लंबे समय से चले आ रहे संदेह का समाधान होता है। इसके अलावा, खनिज के कम-दबाव और उच्च-द membahas चरणों में अल्टरमैग्नेटिज्म की पहचान करना एक महत्वपूर्ण खोज है। अल्टरमैग्नेटिज्म एक हाल ही में खोजा गया पदार्थ का अवस्था है जो फेरोमैग्नेटिज्म और एंटीफेरोमैग्नेटिज्म की विशेषताओं को जोड़ता है, और इस प्रकार के दबाव-ट्यून करने योग्य खनिज में इसे खोजना जांच के नए रास्ते खोलता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनके परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं, वे प्रयोगात्मक डेटा के साथ निकटता से मेल खाते हैं, जैसे कि वह विशिष्ट दबाव जिस पर संरचनात्मक परिवर्तन होता है, और संतुलन की स्थिति में स्पिन अक्ष की दिशा।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक एकल खनिज को समझने से कहीं अधिक हैं। यह दर्शाता है कि दबाव का उपयोग सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन प्रणालियों (correlated electron systems) में क्वांटम गुणों को ट्यून करने के लिए एक सटीक उपकरण के रूप में किया जा सकता है। सामग्री की रासायनिक संरचना बदले बिना हॉल प्रभाव को चालू करने और उसकी दिशा को घुमाने की क्षमता एक दुर्लभ और मूल्यवान क्षमता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह पीज़ो-एनोमलस हॉल इफेक्ट सेंसर या मेमोरी डिवाइस डिजाइन करने के लिए एक नया तंत्र हो सकता है जो यांत्रिक तनाव के प्रति प्रतिक्रिया देते हैं। हालाँकि, वे सतर्क रहते हुए कहते हैं कि ये निष्कर्ष वर्तमान में सैद्धांतिक हैं और उनके अध्ययन में मॉडल की गई विशिष्ट स्थितियों पर आधारित हैं। वास्तविक परीक्षण भविष्य के प्रयोगों से आएगा जो इन उच्च-दबाव की स्थितियों को दोहरा सकें और अनुमानित विद्युत प्रतिक्रियाओं को सीधे माप सकें। फिलहाल, यह अध्ययन एक जटिल क्वांटम परिदृश्य का स्पष्ट, विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है, जो यह दिखाता है कि कैसे दबाव, इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षण और क्रिस्टल संरचना के बीच के परस्पर खेल का उपयोग नए और नियंत्रणीय भौतिक घटनाओं को बनाने के लिए किया जा सकता है।