Assessment of critical behavior in lacunar oxides of type perovskite

पदार्थ वैज्ञानिक अक्सर मैंगनाइट्स (manganites) के रूप में जानी जाने वाली क्रिस्टल के एक परिवार की ओर देखते हैं, जो मैंगनीज, ऑक्सीजन और लैंथेनम या सोडियम जैसे अन्य तत्वों वाले यौगिक हैं। ये सामग्रियां इसलिए दिलचस्प हैं क्योंकि वे विद्युत विसंवाहक (insulators) से चालक (conductors) में बदल सकती हैं, और वे तापमान के आधार पर गैर-चुंबकीय से चुंबकीय अवस्था में बदल सकती हैं। यह संवेदनशीलता उन्हें चुंबकीय प्रशीतन (magnetic refrigeration) नामक एक तकनीक के लिए प्रमुख उम्मीदवार बनाती है, जो हानिकारक गैसों के बजाय चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करने वाली एक शीतलन विधि है। यह समझने के लिए कि ये सामग्रियां कैसे काम करती हैं, शोधकर्ता उस सटीक क्षण का अध्ययन करते हैं जब वे अवस्था बदलते हैं, जिसे 'फेज ट्रांजिशन' (phase transition) कहा जाता है। इस विशिष्ट तापमान पर, सामग्री की आंतरिक व्यवस्था बदल जाती है, और उसके परमाणुओं के बीच परस्पर क्रिया का तरीका नाटकीय रूप से बदल जाता है। इस संक्रमण बिंदु के ठीक आसपास सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है, इसका मापन करके वैज्ञानिक इसके व्यवहार को नियंत्रित करने वाले मौलिक नियमों को उजागर कर सकते हैं।

ट्यूनिसिया के स्फ़ैक्स विश्वविद्यालय और फ्रांस के इंस्टिट्यूट नेल के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में मैंगनाइट क्रिस्टल के दो विशिष्ट संस्करणों की जांच की ताकि यह देखा जा सके कि क्रिस्टल संरचना के भीतर सूक्ष्म खाली स्थानों, या रिक्तियों (vacancies), को बनाने से इन चुंबकीय नियमों पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने लैंथेनम, सोडियम, मैंगनीज और ऑक्सीजन से बने एक यौगिक के दो नमूने तैयार किए। पहले नमूने में, परमाणु अपनी मानक, पूर्ण विन्यास में व्यवस्थित थे। दूसरे नमूने में, उन्होंने जानबूझकर क्रिस्टल लैटिस के विशिष्ट स्थानों से कुछ परमाणुओं को हटा दिया, जिससे रिक्तियां पैदा हो गईं। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या गायब परमाणु केवल सामग्री को कमजोर करेंगे या वे इस बात को मौलिक रूप से बदल देंगे कि संक्रमण के दौरान परमाणु एक-दूसरे के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।

एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) नामक एक तकनीक का उपयोग करते हुए, टीम ने पुष्टि की कि दोनों नमूनों ने एक स्वच्छ, रोम्बोहेड्रल (rhombohedral) क्रिस्टल संरचना बनाई, जो एक विशिष्ट तीन-आयामी आकार है जहाँ परमाणुओं को एक दोहराव वाले पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने अधिक रिक्तियां पेश कीं, क्रिस्टल यूनिट सेल का समग्र आकार थोड़ा बढ़ गया। यह विस्तार इसलिए हुआ क्योंकि परमाणुओं को हटाने से सामग्री के भीतर विभिन्न प्रकार के मैंगनीज आयनों का संतुलन बदल गया, जिससे मैंगनीज और ऑक्सीजन परमाणुओं के बीच के बंधन खिंच गए और उनके बीच के कोण बदल गए। इन सूक्ष्म संरचनात्मक परिवर्तनों ने चुंबकीय व्यवहार में एक महत्वपूर्ण अंतर के लिए मंच तैयार किया।

चुंबकीय संक्रमण को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न सामर्थ्य के चुंबकीय क्षेत्रों को लागू करते हुए नमूनों को ठंडा और गर्म किया। उन्होंने अलग-अलग तापमानों पर सामग्री के चुंबकत्व (magnetization) में आए बदलाव को मापा, और उस महत्वपूर्ण बिंदु पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ सामग्री एक अव्यवस्थित, गैर-चुंबकीय अवस्था से एक व्यवस्थित, चुंबकीय अवस्था में बदल जाती है। कई स्थापित गणितीय दृष्टिकोणों का उपयोग करके इन मापों का विश्लेषण करके, उन्होंने "क्रिटिकल एक्सपोनेंट्स" (critical exponents) निर्धारित किए। ये एक्सपोनेंट ऐसे अंक हैं जो यह वर्णन करते हैं कि संक्रमण तापमान के करीब पहुँचते ही सामग्री के चुंबकीय गुण कितनी तेज़ी से बदलते हैं। वे एक फिंगरप्रिंट की तरह कार्य करते हैं, जो यह प्रकट करते हैं कि चुंबकीय परस्पर क्रिया अल्प-दूरी (short-range) की है, जो केवल निकटतम पड़ोसियों को प्रभावित करती है, या दीर्घ-दूरी (long-range) की है, जो पूरी सामग्री में परमाणुओं को प्रभावित करती है।

परिणामों ने दोनों नमूनों के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाया। रिक्तियों रहित नमूना 'थ्री-डायमेंशनल आइसिंग मॉडल' (three-dimensional Ising model) नामक एक मॉडल के अनुसार व्यवहार करता था। यह मॉडल एक ऐसी प्रणाली का वर्णन करता है जहाँ चुंबकीय परस्पर क्रिया अपेक्षाकृत अल्प-दूरी की होती है, जिसका अर्थ है कि एक परमाणु का चुंबकीय अभिविन्यास मुख्य रूप से उसके निकटतम पड़ोसियों से प्रभावित होता है। हालाँकि, रिक्तियों वाले नमूने ने अलग व्यवहार किया। इसके क्रिटिकल एक्सपोनेंट्स 'ट्राइक्रिटिकल मीन फील्ड थ्योरी' (tricritical mean field theory) नामक एक मॉडल से मेल खाते थे, जो एक ऐसी प्रणाली का वर्णन करता है जो दीर्घ-दूरी की अंतःक्रियाओं द्वारा संचालित होती है जहाँ परमाणु बहुत अधिक दूरी तक एक-दूसरे को प्रभावित करते हैं। रिक्तियों को शामिल करने ने प्रभावी रूप से सामग्री की "यूनिवर्सलिटी क्लास" (universality class) को बदल दिया, जिससे वह एक प्रकार के चुंबकीय व्यवहार से दूसरे प्रकार में स्थानांतरित हो गई।

शोधकर्ताओं ने यह सत्यापित करके अपने निष्कर्षों की पुष्टि की कि क्या डेटा एक सार्वभौमिक स्केलिंग नियम (universal scaling law) का पालन करता है, जो एक सिद्धांत है कि संक्रमण बिंदु के पास, सामग्री का व्यवहार समान दिखना चाहिए, चाहे तापमान या क्षेत्र की शक्ति कुछ भी हो, बशर्ते डेटा को सही गणितीय लेंस के माध्यम से देखा जाए। दोनों नमूनों के डेटा सुचारू, अनुमानित वक्रों (curves) पर समाहित हो गए, जिससे पुष्टि हुई कि उनके द्वारा गणना किए गए क्रिटिकल एक्सपोनेंट्स सटीक थे। इसके अलावा, उन्होंने इन निष्कर्षों को 'मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव' (magnetocaloric effect) से जोड़ा, जो एक बदलते चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में आने पर गर्म होने या ठंडा होने की सामग्री की क्षमता है। उन्होंने पाया कि इस शीतलन प्रभाव की शक्ति उनके द्वारा मापे गए क्रिटिकल एक्सपोनेंट्स से संबंधित एक विशिष्ट पावर लॉ (power law) का पालन करती है, जो यह सिद्ध करता है कि चुंबकीय अंतःक्रियाओं की मौलिक प्रकृति सीधे तौर पर सामग्री की शीतलन क्षमता को निर्धारित करती है।

संक्षेप में, अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि केवल मैंगनाइट की क्रिस्टल संरचना के भीतर कुछ खाली स्थान बनाने से इसके चुंबकीय अंतःक्रियाओं के नियमों को मौलिक रूप से बदला जा सकता है। रिक्तियों रहित सामग्री अल्प-दूरी की अंतःक्रियाओं पर निर्भर थी, जबकि रिक्तियों वाली सामग्री दीर्घ-दूरी की अंतःक्रियाओं में बदल गई। यह खोज इस बात पर प्रकाश डालती है कि परमाणुओं की उपस्थिति या कमी के माध्यम से सूक्ष्म संरचनात्मक वास्तुकला, सामग्री के गुणों को ट्यून करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। चुंबकीय प्रशीतन के भविष्य के लिए, यह सुझाव देता है कि वैज्ञानिक केवल रासायनिक सामग्रियों को बदलने के बजाय, परमाणुओं की व्यवस्था और रिक्तियों के समावेश को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके विशिष्ट शीतलन क्षमताओं वाली सामग्रियां इंजीनियर कर सकते हैं।