Dielectric Relaxation and Magnetoelectric Properties of Sol-gel Synthesized Bi 0.45 Dy 0.55 FeO3 Multiferroic

पदार्थ वैज्ञानिकों ने लंबे समय से एक ऐसे पदार्थ की खोज की है जो दो काम एक साथ कर सके: एक चुंबक की तरह व्यवहार करे और एक विद्युत स्विच की तरह कार्य करे। एक ऐसे एकल पदार्थ की कल्पना करें जो एक रेफ्रिजरेटर चुंबक की तरह चुंबकीय क्षेत्र को थामे रखता है, लेकिन इसे एक लैंप के स्विच की तरह विद्युत धारा द्वारा चालू और बंद भी किया जा सकता है। ऐसा पदार्थ खोजना कठिन है क्योंकि चुंबकत्व बनाने वाले बल और विद्युत स्विचिंग बनाने वाले बल आमतौर पर एक-दूसरे से लड़ते हैं। जब शोधकर्ता एक ऐसा पदार्थ पाते हैं जो दोनों को प्रबंधित करता है, तो वे इसे मल्टीफेरोइक (multiferroic) कहते हैं। ये पदार्थ भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए 'होली ग्रेल' (अत्यंत मूल्यवान लक्ष्य) हैं, जो ऐसे उपकरणों का वादा करते हैं जो छोटे, तेज़ और कम ऊर्जा का उपयोग करने वाले होंगे। हालाँकि, इस काम के लिए सबसे प्रसिद्ध उम्मीदवार, बिस्मथ फेराइट (bismuth ferrite) नामक एक यौगिक में एक बड़ी खामी है। जबकि यह कमरे के तापमान पर स्वाभाविक रूप से मौजूद होता है, यह एक छलनी की तरह बिजली लीक करता है और इसके चुंबकीय गुण इतने कमजोर और उलझे हुए होते हैं कि वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिससे यह वास्तविक दुनिया के गैजेट्स के लिए बेकार हो जाता है।

इसे ठीक करने के लिए, प्यूर्टो रिको विश्वविद्यालय के आर. मार्टिनेज और आर. पलाई के नेतृत्व वाली शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सरल लेकिन सटीक प्रयोग करने का निर्णय लिया: उन्होंने यह देखने के लिए कि क्या यह गंदगी को साफ कर सकता है, बिस्मथ फेरोइट में एक अलग तत्व मिलाया। उन्होंने डिस्प्रोसियम (dysprosium) को चुना, जो एक मजबूत चुंबकीय खिंचाव के लिए जाना जाने वाला एक दुर्लभ पृथ्वी तत्व है। प्रयोगशाला प्रक्रिया में, जिसमें तरल रसायनों को ठोस पाउडर में बदला जाता है, बिसमथ परमाणुओं के कुछ हिस्सों को डिस्प्रोसियम परमाणुओं के साथ सावधानीपूर्वक बदलकर, उन्होंने इस पदार्थ का एक नया संस्करण बनाया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह नया मिश्रण विद्युत रिसाव को रोक सकता है और चुंबकीय बलों को सुलझा सकता है, जिससे एक त्रुटिपूर्ण पदार्थ एक कार्यात्मक पदार्थ में बदल जाए।

टीम ने सोल-जेल संश्लेषण (sol-gel synthesis) नामक तकनीक का उपयोग करके पदार्थ बनाना शुरू किया। इस प्रक्रिया में तरल रसायनों को तब तक मिलाया जाता है जब तक कि वे एक गाढ़ा, जेली जैसा पदार्थ न बन जाएं, जिसे फिर सुखाया और गर्म किया जाता है जब तक कि वह ठोस पाउडर में न बदल जाए। उन्होंने इस पाउडर को डिस्क के रूप में दबाया और अंतिम नमूने बनाने के लिए उन्हें उच्च तापमान पर पकाया। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे मशीनों के नीचे अपने नए पदार्थ की संरचना को देखा, तो उन्हें पता चला कि कुछ महत्वपूर्ण हुआ है। मूल पदार्थ का एक विशिष्ट, मुड़ा हुआ क्रिस्टल आकार था, लेकिन नए मिश्रण ने अपना आकार पूरी तरह से बदल दिया था। परमाणुओं ने खुद को एक अलग, अधिक व्यवस्थित संरचना में पुनर्गठित किया था। यह आकार परिवर्तन केवल एक दिखावटी विवरण नहीं था; यह आगे आने वाली हर चीज़ की कुंजी थी।

सबसे तात्कालिक सुधार जो उन्होंने देखा, वह यह था कि पदार्थ बिजली को कैसे संभालता है। मूल पदार्थ अत्यधिक ऊर्जा खोने के लिए कुख्यात था, जिसे उच्च डाइइलेक्ट्रिक लॉस (dielectric loss) के रूप में जाना जाता है। यह एक ऐसे तार के माध्यम से सिग्नल भेजने की कोशिश करने जैसा था जो एक ही समय में हीटर भी हो। हालाँकि, नए पदार्थ ने बहुत कम ऊर्जा खोई। शोधकर्ताओं ने पाया कि नए पदार्थ का विद्युत प्रतिरोध बहुत अधिक था, जिसका अर्थ है कि यह बिजली को लीक किए बिना विद्युत आवेश को बनाए रख सकता है। यह सीधे तौर पर छोटे डिस्प्रोसियम परमाणुओं के क्रिस्टल लैटिस (lattice) में घुसने का परिणाम था, जिसने परमाणुओं को स्वतंत्र रूप से घूमने से रोका और उन रास्तों को अवरुद्ध कर दिया जिनसे बिजली आमतौरता पर बाहर निकल जाती है।

जब टीम ने परीक्षण किया कि पदार्थ चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देता है, तो परिणाम और भी नाटकीय थे। मूल पदार्थ की चुंबकीय संरचना एक वृत्त में घूमती हुई सर्पिल (spiral) थी, जो प्रभावी रूप से किसी भी समग्र चुंबकत्व को रद्द कर देती थी, बिल्कुल वैसे ही जैसे दो लोग एक रस्सी को विपरीत दिशाओं में समान बल के साथ खींच रहे हों। नए पदार्थ ने इस सर्पिल को तोड़ दिया। डिस्प्रोसियम परमाणुओं के प्रवेश ने इस नाजुक संतुलन को बाधित किया, जिससे चुंबकीय बलों को एक ही दिशा में संरेखित होने की अनुमति मिली। परिणाम स्वरूप एक ऐसा पदार्थ प्राप्त हुआ जिसने स्पष्ट, मापने योग्य चुंबकीय खिंचाव दिखाया, और मूल पदार्थ की तुलना में एक पारंपरिक चुंबक की तरह व्यवहार किया। यह एक महत्वपूर्ण कदम था, क्योंकि इसका अर्थ था कि पदार्थ अब उपयोगी तरीके से चुंबकीय क्षेत्रों के साथ परस्पर क्रिया कर सकता है।

शायद सबसे रोमांचक खोज यह थी कि दोनों गुण एक साथ कैसे काम करते हैं। शोधकर्ताओं ने नए पदार्थ पर एक चुंबकीय क्षेत्र लगाया और देखा कि क्या होता है। उन्होंने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र वास्तव में इस बात को बदल सकता है कि पदार्थ बिजली को कैसे संग्रहीत करता है। जब उन्होंने केवल 0.15 टेस्ला का चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो पदार्थ की विद्युत आवेश धारण करने की क्षमता में उल्लेखनीय वृद्धि हुई। यह परस्पर क्रिया, जिसे मैग्नेटोइलेक्ट्रिक कपलिंग (magnetoelectric coupling) कहा जाता है, उन्नत सेंसर और मेमोरी डिवाइस के लिए आवश्यक सटीक व्यवहार है। पदार्थ एक चुंबकीय धक्के के जवाब में एक विद्युत खिंचाव दिखा रहा था, जिससे सिद्ध हुआ कि दोनों बल अब आपस में लड़ने के बजाय जुड़े हुए हैं।

टीम ने यह समझने के लिए भी देखा कि नया पदार्थ विभिन्न परिस्थितियों में कैसा व्यवहार करता है। उन्होंने पाया कि नया पदार्थ मूल पदार्थ की तुलना में अधिक समान और स्थिर था। जहाँ मूल पदार्थ को अपने विद्युत व्यवहार का वर्णन करने के लिए एक जटिल और अव्यवस्थित स्पष्टीकरण की आवश्यकता थी, वहीं नया पदार्थ एक सरल, अनुमानित पैटर्न का पालन करता था। इस सरलता ने सुझाव दिया कि आंतरिक संरचना अधिक स्वच्छ और सुसंगत थी। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि नए पदार्थ के दाने या छोटे क्रिस्टल अधिक घने रूप से पैक किए गए थे। इस सघन पैकिंग ने विद्युत रिसाव को रोकने में मदद की और पदार्थ की समग्र स्थिरता में योगदान दिया।

अंत में, अध्ययन ने पुष्टि की कि बिसमथ के एक छोटे हिस्से को डिस्प्रोसियम से बदलकर एक त्रुटिपूर्ण पदार्थ को एक आशाजनक पदार्थ में बदल दिया गया। नए पदार्थ ने, जिसे शोधकर्ताओं ने BDFO नाम दिया, विद्युत रिसाव में महत्वपूर्ण कमी, एक स्पष्ट चुंबकीय प्रतिक्रिया और अपने चुंबकीय और विद्युत गुणों के बीच एक मजबूत संबंध दिखाया। हालाँकि शोधकर्ताओं ने स्वीकार किया कि चुंबकीय क्षेत्र के तहत पदार्थ के दोलन (oscillation) के कुछ सूक्ष्म विवरण अभी भी पूरी तरह से समझे नहीं गए हैं, फिर भी मुख्य निष्कर्ष स्पष्ट थे। उन्होंने सफलतापूर्वक एक ऐसा पदार्थ बनाया जो कमरे के तापमान पर बिजली द्वारा स्विच किया जा सकने वाला और चुंबकत्व द्वारा खींचा जाने वाला था। यह उपलब्धि बताती है कि इन पदार्थों के घटकों को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वैज्ञानिक उन प्राकृतिक सीमाओं को दूर कर सकते हैं जिन्होंने अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास को रोक रखा है।