The effect of soft phase on magnetic properties and magnetization reversal process of Nd-Fe-B based multilayers
यह अध्ययन माइक्रोमैग्नेटिक सिमुलेशन का उपयोग करके यह प्रदर्शित करता है कि अनुकूलित सॉफ्ट फेज़ मोटाई और Fe₁₆N₂ जैसी उच्च-मोमेंट वाली सामग्रियों वाले सॉफ्ट/हार्ड/सॉफ्ट Nd-Fe-B ट्रिलायर्स अधिकतम ऊर्जा उत्पाद और रेमैनेंस को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाते हैं, जो उच्च-प्रदर्शन वाले चुंबकीय अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक उम्मीदवार पेश करते हैं।
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स्थायी चुंबक आधुनिक तकनीक के मौन कार्यवाहक हैं, जो इलेक्ट्रिक कारों को चलाने वाले मोटरों से लेकर हमारे हेडफ़ोन के छोटे स्पीकरों तक, हर चीज़ में पाए जाते हैं। दशकों से, उपलब्ध सबसे शक्तिशाली चुंबक नियोडिमियम, आयरन और बोरॉन के एक विशिष्ट संयोजन से बनाए गए हैं। इन सामग्रियों को इसलिए सराहा जाता है क्योंकि वे एक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र बनाए रखते हैं, लेकिन वैज्ञानिक एक दीवार से टकरा गए हैं: वे अन्य आवश्यक गुणों को खोए बिना इन्हें आसानी से और अधिक शक्तिशाली नहीं बना सकते। इस सीमा को तोड़ने के लिए, शोधकर्ता एक अलग रणनीति की खोज कर रहे हैं: दो अलग-अलग सामग्रियों को एक साथ परतों के रूप में जोड़कर चुंबक बनाना। एक परत एक "हार्ड" (कठोर) चुंबकीय सामग्री होती है जो अपनी चुंबकत्व खोने का विरोध करती है, जो एक लंगर (एंकर) के रूप में कार्य करती है। दूसरी परत एक "सॉफ्ट" (कोमल) चुंबकीय सामग्री होती है जिसे चुंबकित करना आसान है लेकिन उसका चुंबकत्व खोना भी आसान है। उम्मीद यह है कि यदि इन दोनों परतों को एक-दूसरे के पर्याप्त करीब रखा जाए, तो वे अपने चुंबकीय दिशाओं को एक साथ लॉक कर देंगी, जिससे एक एकल सामग्री बन जाएगी जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत और बहुत स्थिर दोनों होगी।
चीन के गुइझोउ यूनिवर्सिटी ऑफ कॉमर्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सूक्ष्म स्तर पर इन परतों के बीच होने वाली अंतःक्रियाओं का गहराई से अध्ययन किया है, जिसके लिए उन्होंने सूक्ष्म स्तर पर इन सामग्रियों के व्यवहार को मॉडल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। भौतिक रूप से इन चुंबकों को बनाने के बजाय, जो इतने सूक्ष्म पैमाने पर नियंत्रित करना कठिन हो सकता है, उन्होंने एक डिजिटल प्रयोगशाला बनाई। उन्होंने नियोडिमियम-आयरन-बोरॉन से बनी एक "हार्ड" परत के रूप में पतली फिल्मों का अनुकरण किया और चार अलग-अलग सॉफ्ट सामग्रियों का परीक्षण किया: आयरन, एक विशिष्ट आयरन-नाइट्रोजन यौगिक, एक आयरन-कोबाल्ट मिश्र धातु, और एक आयरन-बोरॉन यौगिक। इन परतों को विभिन्न व्यवस्थाओं में रखकर—जैसे कि दो हार्ड परतों के बीच सैंडविच की गई एक सॉफ्ट परत, या दो सॉफ्ट परतों के बीच सैंडविच की गई एक हार्ड परत—वे देख सके कि सॉफ्ट परतों की मोटाई बदलने पर उनके चुंबकीय क्षेत्र कैसे व्यवहार करते हैं।
सिमुलेशन से पता चला कि सॉफ्ट परत की मोटाई एक महत्वपूर्ण 'डायल' है जिसे वैज्ञानिक चुंबक के प्रदर्शन को ट्यून करने के लिए घुमा सकते हैं। जैसे-जैसे सॉफ्ट परत मोटी होती जाती है, चुंबक एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र बनाए रखने में बेहतर होता जाता है, लेकिन यह बाहरी बलों के प्रति कमजोर हो जाता है जो इसके चुंबकत्व को पलटने की कोशिश करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक ऐसा 'स्वीट स्पॉट' (इष्टतम बिंदु) है जहाँ ये दो प्रतिस्पर्धी प्रभाव पूरी तरह से संतुलित हो जाते हैं। उनके द्वारा परीक्षण किए गए सबसे सामान्य संयोजन के लिए, जिसमें आयरन को सॉफ्ट परत के रूप में उपयोग किया गया था, सर्वोत्तम प्रदर्शन तब हुआ जब सॉफ्ट परत लगभग 4 नैनोमीटर मोटी थी। इस विशिष्ट मोटाई पर, सामग्री ने 84.54 MGOe का अधिकतम ऊर्जा उत्पाद प्राप्त किया, जो एक पैमाना है कि एक चुंबक कितनी चुंबकीय ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है। यह उनके द्वारा परीक्षण की गई अन्य व्यवस्थाओं से अधिक था, जैसे कि एक हार्ड परत के बगल में एक एकल सॉफ्ट परत, या दो सॉफ्ट परतों के बीच सैंडविच की गई एक हार्ड परत।
हालाँकि, सबसे आश्चर्यजनक खोज तब हुई जब उन्होंने सॉफ्ट सामग्री को ही बदल दिया। जब उन्होंने एक सॉफ्ट परत के रूप में आयरन और नाइट्रोजन से बने यौगिक, जिसे Fe16N2 के रूप में जाना जाता है, का उपयोग किया, तो परिणाम और भी नाटकीय थे। इस विन्यास में, चुंबक ने 4 नैनोग्राम की सॉफ्ट लेयर मोटाई पर 109.38 MGOe का अधिकतम ऊर्जा उत्पाद प्राप्त किया। यह मान अन्य सभी सॉफ्ट सामग्रियों द्वारा प्राप्त किए गए मानों से काफी अधिक है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह बेहतर प्रदर्शन उस अनूठे तरीके से आता है जिससे आयरन-नाइट्रोजन यौगिक हार्ड परत के साथ अंतःक्रिया करता है। चुंबकीय क्षण (मैग्नेटिक मोमेंट्स), जो वे छोटे आंतरिक तीर हैं जो चुंबकत्व की दिशा में संकेत करते हैं, दोनों सामग्रियों के बीच की सीमा पर बहुत मजबूती से संरेखित होते हैं। यह मजबूत संबंध चुंबक को अपनी स्थिरता खोए बिना अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने की अनुमति देता है।
शोधकर्ताओं ने यह भी बारीकी से देखा कि चुंबकत्व कैसे उलटता है (reversal), जो तब होता है जब एक बाहरी बल चुंबक के ध्रुवों को पलटने की कोशिश करता है। सर्वोत्तम प्रदर्शन करने वाले आयरन-नाइट्रोजन सेटअप में, रिवर्सल प्रक्रिया एक नियंत्रित, चरण-दर-चरण तरीके से होती है। सामग्री के किनारों पर स्थित चुंबकीय तीर पहले झुकना शुरू करते हैं, और यह झुकाव धीरे-धीरे अंदर की ओर फैलता है, जैसे भीड़ के माध्यम से चलती हुई एक लहर। इस प्रक्रिया को 'पिनिंग' नामक तंत्र द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जहाँ हार्ड और सॉफ्ट परतों के बीच की सीमा एक गेट की तरह कार्य करती है, जो रिवर्सल को बहुत तेज़ी से या अराजक रूप से होने से रोकती है। यह नियंत्रित व्यवहार ठीक वही है जिसकी उच्च-प्रदर्शन वाले चुंबक के लिए आवश्यकता होती है। अध्ययन सुझाव देता है कि सॉफ्ट सामग्री और उसकी मोटाई को सावधानीपूर्वक चुनकर, वैज्ञानिक ऐसे चुंबक डिजाइन कर सकते हैं जो वर्तमान में संभव है उससे कहीं अधिक शक्तिशाली हों, जो अगली पीढ़ी की चुंबकीय तकनीक के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं।
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