Non-Hysteretic Magnetoresistance In rGO-PVA Nanocomposite Films Consisting of Chromium Oxides Nanoscale Composite Particles

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया जहाँ हमारे कंप्यूटरों के भीतर के नन्हे इलेक्ट्रॉनिक स्विच न केवल बिजली से, बल्कि स्वयं चुंबकत्व (मैग्नेटिज्म) द्वारा भी नियंत्रित किए जा सकें। यह स्पिंट्रोनिक्स का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो इलेक्ट्रॉनों के अंतर्निहित "स्पिन"—उनके नन्हे चुंबकीय स्वभाव—का उपयोग करके सूचनाओं को वर्तमान तकनीक की तुलना में अधिक कुशलता से संसाधित और संग्रहीत करने का प्रयास करता है। इन उपकरणों के काम करने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता है जो बिजली का संचालन कर सकें और साथ ही चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति मजबूती से प्रतिक्रिया भी दे सकें, वह भी बिना अपनी चुंबकीय स्मृति खोए या अत्यधिक ठंड की आवश्यकता के। एक बड़ी बाधा ऐसे पदार्थों को खोजने में रही है जो फिल्मों के रूप में बनाए जाने के लिए पर्याप्त लचीले हों और कमरे के तापमान पर इन नाजुक चुंबकीय गुणों को बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हों। एक ऐसा पदार्थ बनाने की खोज जो एक संवेदनशील स्विच की तरह कार्य करे, जो चुंबकीय क्षेत्र लागू होने पर अपनी विद्युत प्रतिरोधकता (इलेक्ट्रिकल रेजिस्टेंस) को अनुमानित रूप से बदले, फिर भी ऐसा करने में पिछले राज्य में "अटक" न जाए, जिसे हिस्टेरेसिस (hysteresis) नामक व्यवहार कहा जाता है जो सेंसर और मेमोरी डिवाइस को भ्रमित कर सकता है।

हाल के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक ही लचीली फिल्म में तीन अलग-अलग सामग्रियों को मिलाकर ऐसा पदार्थ बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड से शुरुआत की, जो कार्बन का एक रूप है जो कागज की एक शीट जैसा दिखता है लेकिन केवल एक परमाणु मोटा होता है, और अपने उत्कृष्ट विद्युत गुणों के लिए जाना जाता है। इसमें उन्होंने पॉलीविनाइल अल्कोहल मिलाया, जो एक सामान्य, पानी में घुलनशील पॉलीमर है जो गोंद के रूप में कार्य करता है, और अंत में, उन्होंने विभिन्न क्रोमियम ऑक्साइड से बने नन्हे कणों को इसमें समाहित किया। ये क्रोमियम कण विशेष हैं क्योंकि इनमें विभिन्न चुंबकीय चरण शामिल हैं, जिनमें से कुछ अत्यधिक चुंबकीय हैं और अन्य जो केवल कमजोर चुंबकीय हैं या गैर-चुंबकीय भी हैं। टीम ने इस फिल्म के दो संस्करण बनाए: एक जिसमें क्रोमियम कणों की कम मात्रा थी और दूसरा जिसमें इसकी दोगुनी मात्रा थी। उनका लक्ष्य यह देखना था कि यह मिश्रण बिजली का संचालन कैसे करेगा और अधिक महत्वपूर्ण रूप से, यह चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में आने पर कैसे प्रतिक्रिया देगा।

परिणामों ने विभिन्न घटकों के बीच एक दिलचस्प परस्पर क्रिया को प्रकट किया। जब शोधकर्ताओं ने कमरे के तापमान पर फिल्मों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि पदार्थ एक सेमीकंडक्टर की तरह व्यवहार करता है, जिसका अर्थ है कि गर्म होने पर इसकी बिजली संचालित करने की क्षमता में सुधार होता है। यह व्यावहारिक उपकरणों के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है, क्योंकि यह सुझाव देता है कि सामग्री शीतलन प्रणालियों (कूलिंग सिस्टम) की आवश्यकता के बिना रोजमर्रा के वातावरण में कार्य कर सकती है। टीम ने देखा कि विद्युत धारा फिल्म के माध्यम से "हॉपिंग" (hopping) नामक एक प्रक्रिया द्वारा चलती है, जहाँ इलेक्ट्रॉन एक स्थान से दूसरे स्थान पर कूदते हैं, जो एक तंत्र है जो सामग्री की चुंबकीय स्थिति से गहराई से प्रभावित होता है। कम क्रोमियम कणों वाली फिल्म में, इलेक्ट्रॉन कणों के चुंबकीय संरेखण के प्रति अत्यधिक संवेदनशील तरीके से चलते हैं, जिसे स्पिन-डिपेंडेंट टनलिंग (spin-dependent tunneling) कहा जाता है। अधिक कणों वाली फिल्म में, यह संवेदनशीलता और भी अधिक स्पष्ट थी, लेकिन इलेक्ट्रॉनों द्वारा लिया गया मार्ग अधिक जटिल हो गया, जिसमें विभिन्न परिवहन तंत्रों का मिश्रण शामिल था।

सबसे महत्वपूर्ण खोज यह थी कि फिल्में बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती हैं। जब शोधकर्ताओं ने फिल्म की सतह के लंबवत एक चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो विद्युत प्रतिरोध नाटकीय रूप रूप से बदल गया। कम कणों वाली सांद्रता वाली फिल्म में, प्रतिरोध लगभग 30 प्रतिशत गिर गया, जो एक विशाल बदलाव है जो दर्शाता है कि सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। अधिक सांद्रता वाली फिल्म में, परिवर्तन 22.5 प्रतिशत की गिरावट और 5 प्रतिशत की वृद्धि का मिश्रण था, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 27.5 प्रतिशत का शुद्ध परिवर्तन हुआ। जो इस खोज को विशेष रूप से मूल्यवान बनाता है वह यह है कि प्रतिरोध में परिवर्तन बिना सामग्री के पिछले राज्य में "अटक" गए हुए हुआ। कई चुंबकीय पदार्थों में, यदि आप चुंबकीय क्षेत्र को बढ़ाते हैं और फिर घटाते हैं, तो पदार्थ के गुण ठीक वहीं नहीं लौटते जहाँ से वे शुरू हुए थे; वे पीछे रह जाते हैं, जिससे एक लूप बन जाता है। यह अंतराल, या हिस्टेरेसिस, अक्सर उन सेंसरों के लिए एक समस्या होती है जिन्हें तत्काल, सटीक रीडिंग देने की आवश्यकता होती है। यहाँ, फिल्मों ने ऐसा कोई अंतराल नहीं दिखाया। जैसे ही चुंबकीय क्षेत्र बदला, प्रतिरोध सुचारू रूप से और तुरंत बदल गया, और जब क्षेत्र हटाया गया, तो सामग्री बिना किसी पिछले चुंबकीय बल की स्मृति के अपने मूल अवस्था में लौट आई।

शोधकर्ताओं ने इस अद्वितीय व्यवहार का श्रेय फिल्म की जटिल संरचना को दिया। चुंबकीय कण एक व्यवस्थित रेखा में व्यवस्थित नहीं थे जो उन्हें एक साथ अपनी चुंबकीय दिशा बदलने के लिए मजबूर करे। इसके बजाय, वे इस तरह से बिखरे हुए थे जो उन्हें एक एकल, कठोर इकाई के रूप में कार्य करने से रोकता था। कार्बन शीटों के दोषों और विभिन्न प्रकार के क्रोमियम ऑक्साइड ने एक ऐसा परिदृश्य बनाया जहाँ इलेक्ट्रॉन इधर-उधर कूद सकते थे, और उनकी गति चुंबकीय क्षेत्र से इस तरह प्रभावित होती थी जो तात्कालिक और प्रतिवर्ती (reversible) थी। अध्ययन बताता है कि यह गैर-हिस्टेरेटिक व्यवहार इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि विभिन्न घटकों के चुंबकीय क्षण (magnetic moments) एक कठोर श्रृंखला में एक साथ लॉक नहीं होते हैं। इसके बजाय, वे व्यक्तिगत रूप से क्षेत्र के प्रति प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे सामग्री एक अत्यधिक प्रतिक्रियाशील, बिना अंतराल वाले सेंसर के रूप में कार्य करने में सक्षम होती है।

यह कार्य नए प्रकार के चुंबकीय सेंसर और मेमोरी डिवाइस विकसित करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग की ओर संकेत करता है। चूंकि ये फिल्में लचीली हैं, सामान्य पॉलिमर से बनी हैं, और कमरे के तापमान पर काम करती हैं, उन्हें व्यापक अनुप्रयोगों में एकीकृत किया जा सकता है। लेखक सुझाव देते हैं कि इन सामग्रियों का उपयोग कार के पहियों की गति मापने वाले सेंसर, चिकित्सा उपकरणों में चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाने, या ऐसी नॉन-वोलेटाइल मेमोरी बनाने के लिए किया जा सकता है जो बिना बिजली के डेटा को सुरक्षित रखती है। मुख्य लाभ उच्च संवेदनशीलता और गति के साथ चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाने की क्षमता है, बिना उस भ्रमित करने वाले अंतराल के जो कई वर्तमान तकनीकों को परेशान करता है। यह सिद्ध करके कि कार्बन, पॉलीमर और क्रोमियम ऑक्साइड का एक सरल मिश्रण इन गुणों के नाजुक संतुलन को प्राप्त कर सकता है, यह अध्ययन अगली पीढ़ी के चुंबकीय इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक आशाजनक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है।