Collective spin reorientation-triggered large hysteresis-free magnetostriction with high strain sensitivity in TbMn6Sn6

पदार्थ शायद ही कभी उतना स्थिर होता है जितना वह दिखाई देता है। एक ठोस धातु के ब्लॉक में भी, परमाणु एक कठोर ग्रिड में बंधे होते हैं, फिर भी उनके इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पन्न सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र लगातार एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, एक-दूसरे को धकेलते और खींचते हैं। जब ये चुंबकीय बल बदलते हैं, तो वे कभी-कभी परमाणुओं को भी खींच सकते हैं, जिससे पूरा पदार्थ खिंच या सिकुड़ सकता है। यह घटना, जिसे मैग्नेटोस्ट्रिक्शन (magnetostriction) कहा जाता है, इस बात का कारण है कि कुछ उपकरण बिजली प्रवाहित होने पर गुनगुनाते या कंपन करते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो एक चुंबकीय क्षेत्र को एक शक्तिशाली, सटीक यांत्रिक गति में बदल सकें, इस उम्मीद में कि बेहतर सेंसर, मोटर और चिकित्सा उपकरण बनाए जा सकें। चुनौती हमेशा एक ऐसा पदार्थ खोजने की रही है जो हिस्टेरेसिस (hysteresis) के चक्र में फंसने के बिना बहुत अधिक खिंच सके—जहाँ पदार्थ अपनी पिछली अवस्थाओं को याद रखता है और वापस साफ तौर पर नहीं लौट पाता—और जो चुंबकीय बल के सबसे छोटे बदलावों के प्रति भी तुरंत प्रतिक्रिया दे सके।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशिष्ट क्रिस्टल की पहचान की है जो बिल्कुल यही करता है। टर्बियम (terbium), मैंगनीज और टिन से बने एक यौगिक का अध्ययन करके, उन्होंने केवल एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करके एक विशाल, प्रतिवर्ती खिंचाव को सक्रिय करने का तरीका खोजा है। TbMn6Sn6 नामक यह पदार्थ परमाणुओं की परतों को एक हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते) जैसी आकृति में व्यवस्थित करता है। इस संरचना के भीतर, परमाणुओं के चुंबकीय क्षण (magnetic moments) छोटे दिशा-सूचक यंत्रों (compass needles) की तरह कार्य करते हैं। कमरे के तापमान पर, ये सुइयां ज्यादातर ऊपर और नीचे, परतों के लंबवत दिशा में होती हैं। हालांकि, जब एक चुंबकीय क्षेत्र को बगल से (sideways) लगाया जाता है, तो सुइयों का पूरा समूह नई दिशा में संकेत देने के लिए एक साथ घूम जाता है। यह सामूहिक घुमाव, जो बिना किसी रुकावट या देरी के होता है, क्रिस्टल को नाटकीय रूप से विस्तारित और संकुचित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह पदार्थ कमरे के तापमान पर 160 पार्ट्स प्रति मिलियन से अधिक खिंच सकता है, और तापमान गिरने के साथ यह प्रभाव और भी मजबूत हो जाता है, जो 200 केल्विन पर लगभग 400 पार्ट्स प्रति मिलियन तक पहुँच जाता है। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह है कि यह पदार्थ अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है; लगभग 310 केल्विन के एक विशिष्ट संक्रमण तापमान के पास, चुंबकीय क्षेत्र में एक छोटा सा परिवर्तन पदार्थ के आकार में एक बड़ा परिवर्तन पैदा करता है, जो इसे अपने प्रकार के सबसे उत्तरदायी पदार्थों में से एक बनाता है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे होता है, वैज्ञानिकों ने पहले क्रिस्टल के चुंबकीय व्यवहार का मानचित्रण किया। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र बढ़ाया, पदार्थ ने अपनी चुंबकत्व को अचानक से नहीं बदला। इसके बजाय, चुंबकीय सुइयां ऊपर और नीचे से होकर परतों के भीतर सपाट होने तक सुचारू रूप से घूमीं। यह घुमाव चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति की एक बहुत ही विशिष्ट सीमा के भीतर होता है। शोधकर्ताओं ने उस प्रक्रिया के दौरान क्रिस्टल के भौतिक तनाव को मापा और पाया कि खिंचाव लगभग उसी संकीर्ण सीमा के भीतर हुआ। एक बार जब सुइयां घूमना समाप्त कर चुकी थीं और अपनी नई सपाट स्थिति में स्थिर हो गई थीं, तो खिंचाव रुक गया, और पदार्थ ने अपना नया आकार बनाए रखा। चुंबकीय घूर्णन और भौतिक खिंचाव के बीच इस सीधे संबंध ने पुष्टि की कि दोनों घटनाएँ तालमेल में हो रही थीं। पदार्थ बिना किसी अव्यवतीय देरी या "स्मृति" के खिंचा, जिसका अर्थ है कि इसे पूर्ण सटीकता के साथ बार-बार चालू और बंद किया जा सकता था।

टीम ने फिर पदार्थ के भीतर देखा कि सूक्ष्म स्तर पर क्या हो रहा है। चुंबकीय क्षेत्रों को देखने वाले एक विशेष सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र बदलने पर क्रिस्टल की आंतरिक संरचना को देखा। उन्होंने देखा कि पदार्थ स्वाभाविक रूप से डोमेन (domains) नामक क्षेत्रों में विभाजित है, जहाँ चुंबकीय सुइयां थोड़ी अलग दिशाओं में संकेत करती हैं, जिससे एक धारीदार पैटर्न बनता है। जैसे ही चुंबकीय क्षेत्र लगाया गया, ये धारियाँ केवल एक-दूसरे के बगल से नहीं गुजरीं; वे पूरी तरह से मुड़ गईं और पुनर्गठित हुईं। धारियों का पूरा पैटर्न चुंबकीय क्षेत्र की नई दिशा से मेल खाने के लिए खुद को पुनर्गठित कर लिया। इस वास्तविक समय के अवलोकन ने सिद्ध किया कि खिंचाव कुछ परमाणुओं के इधर-उधर हिलने के कारण नहीं था, बल्कि संपूर्ण चुंबकीय संरचना के सामूहिक, समन्वित पुनर्गठन के कारण था। पदार्थ अनिवार्य रूप से नई चुंबकीय अवस्था को समायोजित करने के लिए अपने आंतरिक परिदृश्य को नया आकार दे रहा था, और इस पुनर्गठन ने क्रिस्टल के जालीदार ढांचे (lattice) को अपने साथ खींचा।

यह समझाने के लिए कि खिंचाव इतना बड़ा और इतना दिशात्मक क्यों था, शोधकर्ताओं ने क्वांटン भौतिकी (quantum physics) के नियमों पर आधारित कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने मॉडल किया कि जब सुइयां घूमती हैं तो परमाणु और उनके चुंबकीय क्षेत्र कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। गणनाओं ने दिखाया कि घूर्णन दिशा के आधार पर परमाणुओं के बीच की दूरी को बदल देता है। जब चुंबकीय सुइयां ऊपर से नीचे से बगल की ओर मुड़ीं, तो परमाणुओं की परतों के बीच का स्थान बदल गया, और परतों के भीतर का अंतराल फैल गया। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि यह परिवर्तन इस बात से प्रेरित था कि परमाणुओं के बीच के चुंबकीय बल, जिन्हें 'एक्सचेंज इंटरैक्शन' (exchange interactions) कहा जाता है, नए ओरिएंटेशन के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। परमाणुओं के बीच के चुंबकीय बल इस बात के प्रति अत्यंत संवेदनशील होते हैं कि परमाणु कितनी दूर हैं। जब चुंबकीय सुइयां घूमीं, तो इन बलों का संतुलन बदल गया, जिससे परमाणु एक नई, थोड़ी बड़ी व्यवस्था में व्यवस्थित हो गए। इन चुंबकीय बलों और परमाणु अंतराल के बीच का यह सूक्ष्म खींचतान ही वह सूक्ष्म खिंचाव पैदा करता है जिसे हम माप सकते हैं।

सबसे उल्लेखनीय निष्कर्षों में से एक यह था कि पदार्थ कितना खिंचा और उसने कितनी तेजी से प्रतिक्रिया दी, इसके बीच का अंतर। हालांकि कम तापमान पर पदार्थ सबसे अधिक खिंचता है, लेकिन बदलने वाले चुंबकीय क्षेत्र के प्रति इसकी प्रतिक्रिया करने की क्षमता कमरे के तापमान के पास, विशेष रूप से 310 केल्विन के आसपास उच्चतम थी। इस तापमान पर, चुंबकीय घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति की एक बहुत ही संकीर्ण सीमा में होता है। क्योंकि पूरी खिंचाव प्रक्रिया चुंबकीय परिवर्तन के इतने छोटे अंतराल में सिमटी हुई है, चुंबकीय क्षेत्र का एक छोटा सा धक्का भी एक बड़ा यांत्रिक प्रत्युत्तर उत्पन्न करता है। शोधकर्ताओं ने इस संवेदनशीलता की गणना की और पाया कि यह असाधारण रूप से उच्च है, जो कई ज्ञात पदार्थों से कहीं अधिक है। इसका अर्थ है कि इस विशिष्ट तापमान के पास, यह पदार्थ एक अत्यधिक कुशल परिवर्तक के रूप में कार्य करता है, जो एक छोटे चुंबकीय संकेत को एक महत्वपूर्ण यांत्रिक गति में बदल देता है। अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि यह प्रभाव केवल गर्मी के कारण पदार्थ के फैलने या सिकुड़ने का परिणाम है; खिंचाव केवल तभी होता है जब चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, जो यह सिद्ध करता है कि यह चुंबकीय पुनर्गठन का प्रत्यक्ष परिणाम है।

यह कार्य भविष्य के उन पदार्थों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग स्थापित करता है जिन्हें चुंबकीय क्षेत्रों के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। यह समझकर कि चुंबकीय क्षणों का सामूहिक घूर्णन एक बड़ा, स्वच्छ और संवेदनशील यांत्रिक प्रत्युत्तर संचालित कर सकता है, वैज्ञानिक अब समान गुणों वाले अन्य पदार्थों की तलाश कर सकते हैं। मुख्य बात ऐसे सिस्टम को खोजना है जहाँ चुंबकीय क्रम को आसानी से पुनर्गठित किया जा सके और जहाँ वह पुनर्गठन क्रिस्टल की भौतिक संरचना के साथ मजबूती से जुड़ा हो। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि TbMn6Sn6 में, एक चुंबकीय अवस्था से दूसरी अवस्था में संक्रमण केवल दिशा का परिवर्तन नहीं है, बल्कि पदार्थ के आंतरिक बलों का एक मौलिक पुनर्गठन है। यह पुनर्गठन परमाणुओं को एक नई विन्यास में खींचता है, जिससे एक शक्तिशाली और सटीक यांत्रिक प्रभाव पैदा होता है। निष्कर्ष बताते हैं कि भविष्य के पदार्थों को इसी तरह के सामूहिक संक्रमणों से गुजरने के लिए इंजीनियर करके, अधिक उत्तरदायी, कुशल और विश्वसनीय उपकरण बनाना संभव हो सकता है। यह अध्ययन यह समझने के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि अगली पीढ़ी के स्मार्ट पदार्थ बनाने के लिए चुंबकीय पुनर्गठन की शक्ति का लाभ कैसे उठाया जाए।