Out-of-plane orbital torque from orbital-to-spin conversion in a low-symmetry system

तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से सूचनाओं को संग्रहीत करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के सूक्ष्म चुंबकीय स्पिन (spins) पर भरोसा करते रहे हैं। इन स्पिनों की कल्पना एक सूक्ष्म कंपास सुइयों के रूप में करें जो डिजिटल डेटा के 'एक' (one) और 'शून्य' (zero) को दर्शाने के लिए ऊपर या नीचे की ओर इशारा कर सकती हैं। नई जानकारी लिखने के लिए, शोधकर्ता आमतौर पर इन सुइयों को एक नई स्थिति में धकेलने के लिए विद्युत धाराओं का उपयोग करते हैं। हालाँकि, एक बड़ी बाधा अभी भी बनी हुई है: कई सामान्य सामग्रियों में, भौतिकी के नियम इन धाराओं को बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की मदद के बिना सुइयों को पलटने (flip करने) से रोकते हैं। यह अतिरिक्त चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता उपकरणों को भारी और अधिक बिजली खपत वाला बनाती है, जो भविष्य की अत्यंत कॉम्पैक्ट मेमोरी चिप्स के मार्ग में बाधा डालती है।

हाल ही में, न केवल इलेक्ट्रॉन के स्पिन, बल्कि उनकी कक्षीय गति (orbital motion) को देखकर एक नया रास्ता खुला है। जिस तरह पृथ्वी अपनी धुरी पर घूमती है और साथ ही सूर्य की परिक्रमा भी करती है, इलेक्ट्रॉनों में भी एक समान दोहरी प्रकृति होती है। जबकि स्पिन आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का मुख्य आधार रहा है, इलेक्ट्रॉनों की कक्षीय गति चुंबकीय बल उत्पन्न करने का एक नया और शक्तिशाली तरीका प्रदान करती है, जो अक्सर भारी, दुर्लभ तत्वों की आवश्यकता के बिना होता है। चुनौती यह है कि कक्षीय गति सीधे चुंबकीय सुइयों से संवाद नहीं करती; इसे पहले एक स्पिन बल में परिवर्तित होना पड़ता है। वर्षों तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि क्रिस्टल की संरचना की समरूपता (symmetry) इस बात को सख्ती से सीमित करती है कि यह रूपांतरण कैसे हो सकता है, जिससे बिना किसी सहायता के चुंबकीय सुइयों को पलटने के लिए आवश्यक प्रकार का बल उत्पन्न करना प्रभावी रूप से वर्जित हो जाता है। बेइहांग यूनिवर्सिटी (Beihang University) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह दिखाया है कि इस नियम को तोड़ा जा सकता है, जिससे परमाणुओं की छिपी हुई ज्यामिति का उपयोग करके चुंबकीय मेमोरी को नियंत्रित करने का एक नया तरीका सामने आया है।

शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट सामग्रियों के 'सैंडविच' पर ध्यान केंद्रित किया: कोबाल्ट-प्लेटिनम मिश्र धातु के ऊपर रुथेनियम (ruthenium) धातु की एक परत। उन्होंने रुथेनियम को इसलिए चुना क्योंकि जब इसके माध्यम से विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो यह कक्षीय गति के प्रवाह को उत्पन्न करने में उत्कृष्ट है। कोबाल्ट-प्लेटिनम परत, हालांकि, प्रयोग की कुंजी थी। जबकि यह बड़े पैमाने पर एक अव्यवस्थित मिश्र धातु है, टीम ने इसे इस तरह से इंजीनियर किया कि जहाँ यह रुथेनियम से मिलती है, उस इंटरफेस (interface) पर परमाणु व्यवस्था में एक विशिष्ट प्रकार की दर्पण समरूपता (mirror symmetry) का अभाव है। सरल शब्दों में, इस सीमा पर परमाणु परिदृश्य एक बहुत ही विशिष्ट, तीन-पक्षीय पैटर्न में असंतुलित है। यह टूटी हुई समरूपता वह महत्वपूर्ण घटक है जो भौतिकी को मानक, अत्यधिक सममित सामग्रियों की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करने की अनुमति देती है।

जब टीम ने रुथेनियम परत के माध्यम से विद्युत धारा भेजी, तो इसने कक्षीय गति के एक अनुप्रस्थ प्रवाह (transverse flow) को उत्पन्न किया, जो फिर कोबाल्ट-प्लेटिनम परत में चला गया। एक मानक, सममित सामग्री में, यह प्रवाह केवल एक पार्श्व स्पिन बल (sideways spin force) में परिवर्तित हो जाएगा, जो अकेले खड़ी चुंबकीय सुई को पलटने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है। लेकिन, उनके निम्न-समरूपता वाले सेटअप में, शोधकर्ताओं ने कुछ अप्रत्याशित देखा। कक्षीय प्रवाह को एक ऐसे स्पिन बल में बदल दिया गया जिसने न केवल बगल में, बल्कि सीधे ऊपर या नीचे की ओर धक्का दिया। यह ऊर्ध्वाधर धक्का, या टॉर्क (torque), चुंबकीय सुइयों को ऊपर से नीचे और नीचे से ऊपर पलटने के लिए पर्याप्त मजबूत था, और वह भी बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के। परिणाम एक स्वच्छ, नियत स्विचिंग (deterministic switch) था, जो पूरी तरह से विद्युत धारा और सामग्री के इंटरफेस की अनूठी ज्यामिति द्वारा संचालित था।

यह सिद्ध करने के लिए कि यह प्रभाव वास्तविक था और केवल कोई संयोग नहीं था, टीम ने परीक्षण किया कि विद्युत धारा की दिशा बदलने पर स्विचिंग कैसे व्यवहार करती है। उन्होंने पाया कि चुंबक को पलटने की क्षमता एक विशिष्ट तीन-पक्षीय पैटर्न का पालन करती है। जैसे-जैसे उन्होंने धारा की दिशा को घुमाया, स्विचिंग की शक्ति एक लय में ऊपर-नीचे हुई जो हर 120 डिग्री के बाद दोहराई गई। यह पैटर्न कोबाल्ट-प्लेटिनम क्रिस्टल संरचना की तीन-पक्षीय समरूपता से पूरी तरह मेल खाता था, जिससे पुष्टि हुई कि यह प्रभाव वास्तव में सामग्री की ज्यामिति में निहित था। इसके अलावा, उन्होंने पाया कि यह ऊर्ध्वाधर बल तब बढ़ता गया जब उन्होंने रुथेनियम परत को मोटा किया, एक निश्चित बिंदु तक। यह प्रभाव तब चरम पर था जब रुथेनियम की परत लगभग 18 से 21 नैनोमीटर मोटी थी, जिससे पता चलता है कि कक्षीय गति रुथेनियम के भीतर गहराई में उत्पन्न हो रही थी और फिर कुशलतापूर्वक इंटरफेस पर परिवर्तित हो रही थी।

शोधकर्ताओं ने परमाणु स्तर पर सामग्री के भीतर देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का भी उपयोग किया। इन गणनाओं ने खुलासा किया कि रूपांतरण प्रक्रिया एक विशिष्ट "स्वैपिंग" (swapping) प्रभाव पर निर्भर करती है जो केवल तभी होता है जब समरूपता टूट जाती है। कोबाल्ट-प्लेटिनम की मुख्य संरचना में यह प्रभाव कमजोर है, लेकिन रुथेनियम के साथ इंटरफेस पर, यह नाटकीय रूप से मजबूत हो जाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि इलेक्ट्रॉनों की कक्षीय गति को सीधे सीमा पर एक ऊर्ध्वाधर स्पिन बल में प्रभावी रूप से बदला जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो सममित क्रिस्टल में वर्जित है। इस सूक्ष्म चित्र ने पुष्टि की कि इंटरफेस स्वयं एक फिल्टर के रूप में कार्य करता है, जो बिना किसी चुंबकीय क्षेत्र के स्विचिंग के लिए आवश्यक विशिष्ट बल को चुनता है और उसे बढ़ाता है।

इस खोज के निहितार्थ महत्वपूर्ण हैं। एक ऐसी सामग्री को मिलाने से जो कक्षीय गति उत्पन्न करती है, और एक निम्न-समरूपता वाली परत को जो इसे परिवर्तित करती है, टीम ने प्रदर्शित किया कि वे वर्तमान विधियों की तुलना में कम ऊर्जा और कम घटकों का उपयोग करके चुंबकीय डेटा लिख सकते हैं। उनके उपकरण ने पिछले प्रयासों की तुलना में लगभग दोगुना दक्षता हासिल की, जिन्होंने रुथेनियम परत के बिना समान सामग्रियों का उपयोग किया था। यह कार्य बताता है कि परमाणु इंटरफेस की समरूपता को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वैज्ञानिक सूचना के प्रवाह को नियंत्रित करने के नए तरीके खोल सकते हैं। यह ऐसी मेमोरी चिप्स बनाने का मार्ग प्रशस्त करता है जो न केवल छोटी और तेज़ होंगी, बल्कि उन भारी चुंबकीय क्षेत्रों के बिना काम करने में भी सक्षम होंगी जो लंबे समय से इस क्षेत्र में एक बाधा रहे हैं। यह अध्ययन स्थापित करता है कि अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स में सूचना के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए परमाणु जगत की ज्यामिति उतनी ही महत्वपूर्ण है जितनी कि स्वयं सामग्रियां।