When Molecular Dimerization Induces Magnetic Bi-Stability at the Metal-Organic Interface
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Ag(111) पर Mn-Phthalocyanine डाइमर्स का ऑन-सरफेस असेंबली, STM-नियंत्रित संरचनात्मक परिवर्तनों के माध्यम से फेरोमैग्नेटिक और एंटीफेरोमैग्नेटिक अवस्थाओं के बीच उत्क्रमणीय स्विचिंग को सक्षम बनाती है, जिसमें विशिष्ट कोंडो सिग्नेचर चुंबकीय रीडआउट और स्पिंट्रोनिक्स एवं लॉजिक में संभावित अनुप्रयोगों की अनुमति देते हैं।
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कंप्यूटरों को छोटा, तेज़ और अधिक कुशल बनाने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से आणविक स्तर (molecular scale) की ओर देख रहे हैं। विचार यह है कि व्यक्तिगत अणुओं का उपयोग उन सूक्ष्म स्विचों और मेमोरी इकाइयों के रूप में किया जाए जो हमारे उपकरणों को शक्ति प्रदान करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे आधुनिक चिप में ट्रांजिस्टर होते हैं। हालाँकि, एक एकल अणु अक्सर सूचना के एक जटिल बिट को रखने के लिए बहुत सरल होता है, और धातु की सतह पर रखे जाने पर इसके चुंबकीय गुण नाजुक हो सकते हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ता यह पता लगा रहे हैं कि दो अणुओं को एक साथ जोड़कर एक "डाइमर" (dimer) कैसे बनाया जाए, जो एक जोड़ी है और एक एकल, अधिक मजबूत इकाई के रूप में कार्य करती है। चुनौती इन जोड़ों को नियंत्रित करने में है: क्या उन्हें एक लाइट स्विच की तरह दो स्थिर अवस्थाओं के बीच बदलने के लिए बनाया जा सकता है, और क्या हम उन अवस्थाओं को नष्ट किए बिना उन्हें पढ़ सकते हैं? यह प्रश्न रसायन विज्ञान और भौतिकी के संगम पर स्थित है, जहाँ लक्ष्य ऐसे पदार्थ बनाना है जो विद्युत आवेश के बजाय चुंबकीय स्पिन (magnetic spins) का उपयोग करके डेटा संग्रहीत कर सकें।
स्ट्रासबर्ग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक चांदी की सतह पर मैंगनीज-फ्थैलोसाइनिन (manganese-phthalocyanine) अणुओं की एक जोड़ी का उपयोग करके ऐसा चुंबकीय स्विच बनाने और नियंत्रित करने का तरीका प्रदर्शित किया है। ये अणु अनिवार्य रूप से कार्बन और नाइट्रोजन परमाणुओं के चपटे छल्ले हैं जिनके केंद्र में एक मैंगनीज परमाणु होता है। एक अत्यधिक संवेदनशील सूक्ष्मदर्शी, जिसे स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (scanning tunneling microscope) कहा जाता है, जो व्यक्तिगत परमाणुओं को देख और हिला सकता है, का उपयोग करके वैज्ञानिकों ने एक अणु को दूसरे के ठीक ऊपर रखकर एक डाइमर बनाया। उन्होंने पाया कि माइक्रोस्कोप की नोक से ऊपर वाले अणु को हल्का सा धकेलकर, वे उसे थोड़ा बगल में खिसका सकते हैं। यह सूक्ष्म गति, जो दो-दशांश नैनोमीटर से भी कम है, ने दोनों मैंगनीज परमाणुओं के बीच के चुंबकीय संबंध को पूरी तरह से बदल दिया। एक स्थिति में, दोनों परमाणुओं के चुंबकीय स्पिन विपरीत दिशाओं में थे, जिससे वे एकกัน (antiferromagnetic) अवस्था में एक-दूसरे को रद्द कर रहे थे। खिसकी हुई स्थिति में, स्पिन एक ही दिशा में संरेखित हो गए, जिससे एक फेरोमैग्नेटिक (ferromagnetic) अवस्था बन गई।
शोधकर्ताओं ने पाया कि यह स्विच केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं है बल्कि एक भौतिक वास्तविकता है जिसे नियंत्रित और देखा जा सकता है। उन्होंने एक क्लस्टर से एक एकल अणु को खींचकर और उसे नीचे की परत में मौजूद एक अणु के ठीक ऊपर सटीक रूप से रखकर काम किया। उन्होंने अणुओं के एक साथ बैठने के तीन संभावित तरीके पहचाने, लेकिन केवल दो ही विस्तार से अध्ययन करने के लिए पर्याप्त स्थिर थे। एक व्यवस्था में अणु एक-दूसरे के ऊपर बिल्कुल सटीक रूप से स्टैक्ड (stacked) थे, जबकि दूसरी व्यवस्था में ऊपर वाला अणु इस तरह खिसका हुआ था कि उसका केंद्रीय धातु परमाणु नीचे वाले अणु के नाइट्रोजन परमाणु के ठीक ऊपर स्थित था। टीम ने गणना की कि इन जोड़ों को एक साथ रखने वाली ऊर्जा उन्हें स्थिर रखने के लिए पर्याप्त मजबूत थी, फिर भी उनके बीच का संबंध इतना संवेदनशील था कि वह एक छोटे से भौतिक धक्के से अपने चुंबकीय स्वभाव को बदल सके।
यह समझने के लिए कि चुंबकीय अवस्था क्यों बदली, वैज्ञानिकों ने यह देखा कि दोनों अणुओं में इलेक्ट्रॉन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। जब अणु एक-दूसरे के ऊपर सीधे स्टैक्ड थे, तो केंद्रीय धातु परमाणु संरेखित थे, जिससे उनके इलेक्ट्रॉन इस तरह से परस्पर क्रिया करने के लिए सक्षम हुए कि उनके स्पिन एक-दूसरे के विपरीत हो गए। जब ऊपर वाले अणु को खिसकाया गया, तो ऊपरी अणु का धातु परमाणु निचले अणु के नाइट्रोजन परमाणु के ऊपर आ गया। इस नई व्यवस्था ने इलेक्ट्रॉनों द्वारा लिए जाने वाले पथ को बदल दिया, जिससे स्पिन को एक ही दिशा में संरेखित होने के लिए मजबूर होना पड़ा। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ इन निष्कर्षों की पुष्टि की जिसने इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को मॉडल किया, जिससे दिखाया गया कि स्थिति में बदलाव ही चुंबकीय स्विच को पलटने की कुंजी थी।
इस खोज का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह समझना था कि स्विच की अवस्था को नष्ट किए बिना उसे कैसे "पढ़ा" जाए। टीम ने अणुओं के इलेक्ट्रॉनिक सिग्नेचर को सुनने के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी (spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने एक विशिष्ट सिग्नल का पता लगाया जिसे कोंडो रेजोनेंस (Kondo resonance) कहा जाता है, जो तब होता है जब किसी परमाणु का चुंबकीय स्पिन धातु की सतह के बहते इलेक्ट्रॉनों द्वारा स्क्रीन किया जाता है। यह सिग्नल उनके मापन में एक तीक्ष्ण शिखर (sharp peak) के रूप में दिखाई दिया, लेकिन शिखर का आकार और चौड़ाई इस बात पर निर्भर करती थी कि डाइमर स्टैक्ड स्थिति में है या खिसकी हुई स्थिति में। स्टैक्ड संस्करण ने एक संकीर्ण, सममित (symmetric) शिखर उत्पन्न किया, जबकि खिसकी हुई संस्करण ने एक व्यापक, थोड़ा असममित (asymmetric) शिखर उत्पन्न किया। इन विशिष्ट हस्ताक्षरों ने शोधकर्ताओं को केवल विद्युत धारा को मापकर दोनों चुंबकीय अवस्थाओं के बीच अंतर करने में सक्षम बनाया, जिससे प्रभावी रूप से आणविक स्तर पर सूचना को लिखने और पढ़ने का एक तरीका तैयार हुआ।
अध्ययन ने यह भी संबोधित किया कि अणुओं के नीचे की धातु की सतह उनके व्यवहार को कैसे प्रभावित करती है। कुछ मामलों में, एक धातु की सतह अणु के चुंबकीय गुणों को पूरी तरह से मिटा सकती है, लेकिन यहाँ, चांदी की सतह ने चुंबकीय अवस्थाओं को जीवित रहने दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि अणुओं और चांदी के बीच की परस्पर क्रिया इतनी सूक्ष्म थी कि डाइमर का अद्वितीय चुंबकीय चरित्र बरकरार रहा। उन्होंने इस विचार को खारिज कर दिया कि दोनों अणु एक एकल, विशाल चुंबकीय वस्तु के रूप में कार्य करते हैं, और यह दिखाया कि दो व्यक्तिगत मैंगनीज परमाणुओं के बीच की परस्पर क्रिया ही मुख्य प्रेरक शक्ति थी। यह कार्य सुझाव देता है कि आणविक डाइमर भविष्य के स्पिंट्रोनिक (spintronic) उपकरणों के लिए आधार बन सकते हैं, जहाँ सूचना को विद्युत धाराओं के बजाय चुंबकीय स्पिन का उपयोग करके संसाधित किया जाता है, जो अधिक उन्नत और सघन कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों की ओर एक संभावित मार्ग प्रदान करता है।
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