Phonon-mode-specific spin-flip scattering dictated ultrafast demagnetization in a van der Waals ferromagnet

आधुनिक तकनीक की दुनिया में, सूचनाओं को संग्रहीत करने और संसाधित करने की क्षमता काफी हद तक सामग्रियों के चुंबकीय गुणों पर निर्भर करती है। दशकों से, वैज्ञानिक इन चुंबकीय उपकरणों को तेज़ और अधिक कुशल बनाने के लिए इलेक्ट्रॉनों के सूक्ष्म चुंबकीय क्षणों (magnetic moments) को नियंत्रित करने का प्रयास कर रहे हैं, जिसे 'स्पिन' (spin) नामक गुण कहा जाता है। जब किसी चुंबकीय सामग्री पर प्रकाश का एक स्पंद (pulse) पड़ता है, तो उसकी चुंबकत्व कुछ ही सेकंड के अंश में गायब हो सकता है, जिसे 'अल्ट्राफास्ट डीमैग्नेटाइजेशन' (ultrafast demagnetization) कहा जाता है। यह ठीक कैसे होता है, इसे समझना अगली पीढ़ी की उच्च-गति वाली मेमोरी बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। लंबे समय तक, शोधकर्ताओं ने एक ठोस सामग्री के भीतर के परमाणुओं को कंपन या फोनोन (phonons) की एक अराजक, अविभेदित भीड़ के रूप में देखा, जो केवल ऊर्जा को अवशोषित करते थे और सिस्टम को ठंडा करने में मदद करते थे। हालांकि, एक नया दृष्टिकोण बताता है कि सभी कंपन एक जैसे नहीं होते; कुछ विशिष्ट प्रकार के परमाणु कंपन अन्य की तुलना में चुंबकीय स्पिन को बिखेरने में कहीं अधिक प्रभावी हो सकते हैं, जो इस बात के वास्तविक चालक (drivers) के रूप में कार्य करते हैं कि चुंबकत्व कितनी तेज़ी से गायब होता है।

नान्जिंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम और उनके अंतर्राष्ट्रीय सहयोगियों ने अब एक विशेष प्रकार की चुंबकीय सामग्री, जिसे 'वांडर वाल्स फेरोमैग्नेट' (van der Waals ferromagnet), विशेष रूप से क्रोमियम टेल्यूराइड की एक पतली फिल्म का उपयोग करके इस विचार के प्रत्यक्ष प्रमाण प्रदान किए हैं। ये सामग्रियां परमाणु रूप से पतली परतों से बनी होती हैं जो कमजोर बलों द्वारा जुड़ी होती हैं, जिससे वे सूक्ष्म स्तर पर प्रकाश, बिजली और चुंबकत्व की परस्पर क्रिया का अध्ययन करने के लिए आदर्श बन जाती हैं। वैज्ञानिक एक रहस्य को सुलझाना चाहते थे: यह चुंबकत्व खोने की गति तापमान के आधार पर क्यों बदल जाती है? उच्च-गति वाले लेजर प्रयोगों और विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन को जोड़कर, उन्होंने खोजा कि उत्तर इस बात में निहित है कि कौन से विशिष्ट परमाणु कंपन इस कार्य को कर रहे हैं। उन्होंने पाया कि कम तापमान पर, एक प्रकार का कंपन प्रक्रिया पर हावी रहता है, लेकिन जैसे-जैसे सामग्री गर्म होती है, एक अलग प्रकार का कंपन कार्यभार संभाल लेता है, जिससे चुंबकत्व का नुकसान धीमा हो जाता है।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले एक गैलियम आर्सेनाइड सबस्ट्रेट पर क्रोमियम टेल्यूराइड की एक उच्च-गुणवत्ता वाली, दस-परत मोटी फिल्म विकसित की। फिर उन्होंने 'टाइम-रिज़ॉल्व्ड मैग्नेटो-ऑप्टिकल केर इफेक्ट' (time-resolved magneto-optical Kerr effect) नामक एक तकनीक का उपयोग किया, जिसमें सामग्री के चुंबकत्व को बाधित करने के लिए एक छोटा लेजर स्पंद और चुंबकत्व के रिकवरी होने के समय को मापने के लिए दूसरा, कमजोर स्पंद दागा जाता है। उन्होंने एक विशिष्ट दो-चरणीय प्रक्रिया देखी: चुंबकत्व लगभग तुरंत गिर जाता है, जिसके बाद एक धीमी, अधिक क्रमिक गिरावट आती है। इसके पीछे के भौतिक विज्ञान को समझने के लिए, उन्होंने एक सैद्धांतिक ढांचे को लागू किया जो इलेक्ट्रॉनों, स्पिन और परमाणु जाली (lattice) को तीन अलग-अलग लेकिन जुड़े हुए सिस्टम के रूप में मानता है जो ऊर्जा का आदान-प्रदान करते हैं। अपने प्रयोगात्मक डेटा को इस मॉडल के साथ फिट करके, उन्होंने एक 'स्पिन फ्लिप' (spin flip) की संभावना की गणना की—वह घटना जहाँ इलेक्ट्रॉन की चुंबकीय दिशा उलट जाती है—जो एक कंपन परमाणु के साथ टकराव के दौरान होती है। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि जैसे-जैसे तापमान 80 से 200 केल्विन तक बढ़ा, इन स्पिन फ्लिप की संभावना काफी कम हो गई, जिसका अर्थ है कि उच्च तापमान पर स्पिन को बिखेरना कठिन हो जाता है।

यह पता लगाने के लिए कि यह संभावना क्यों बदली, टीम ने 'रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी' (Raman spectroscopy) की ओर रुख किया, जो एक ऐसी विधि है जो यह मापने के लिए प्रकाश को बिखेरती है कि सामग्री के परमाणु कंपन की विशिष्ट आवृत्तियाँ क्या हैं। उन्होंने क्रोमियम टेल्यूराइड फिल्म में दो मुख्य प्रकार के कंपनों की पहचान की: एक जहाँ परमाणु परतों के तल के भीतर आगे-पीछे चलते हैं, और दूसरा जहाँ वे परतों के लंबवत (perpendicular) ऊपर-नीचे चलते हैं। इलेक्ट्रॉनों और इन विशिष्ट कंपनों के बीच संपर्क की शक्ति तापमान के साथ कैसे बदलती है, इसका विश्लेषण करके, उन्होंने एक स्पष्ट बदलाव पाया। निम्न तापमान पर, इन-प्लेन (in-plane) कंपन स्पिन फ्लिप का प्राथमिक कारण थे। हालांकि, जैसे-जैसे सामग्री गर्म हुई, ऊपर-नीचे वाले कंपनों का योगदान बढ़ा, जबकि इन-प्लेन कंपनों की भूमिका कम हो गई। गतिविधि के इस पुनर्वितरण ने सुझाव दिया कि सामग्री गर्म होने के साथ एक डीमैग्नेटाइजेशन तंत्र से दूसरे में स्विच कर रही है।

यह पुष्टि करने के लिए कि इन विभिन्न कंपनों में वास्तव में चुंबकत्व को नष्ट करने की अलग-अलग क्षमताएं हैं, शोधकर्ताओं ने क्वांटम यांत्रिकी पर आधारित जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन किए। उन्होंने सामग्री का मॉडल बनाया और इलेक्ट्रॉन स्पिन पर क्या प्रभाव पड़ेगा यह देखने के लिए इन-प्लेन और ऊपर-नीचे दोनों कंपनों की विशिष्ट परमाणु गतिविधियों को कृत्रिम रूप से प्रेरित किया। परिणाम निर्णायक थे: इन-प्लेन कंपनों ने ऊपर-नीचे वाले कंपनों की तुलना में चुंबकीय क्षण (magnetic moment) का बहुत बड़ा और तेज़ नुकसान किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि इन-प्लेन गति ने इलेक्ट्रॉनिक संरचना में अधिक गहरा व्यवधान पैदा किया, जिससे ऊर्जा के अधिक कुशल हस्तांतरण की स्थिति बनी जिसने स्पिन को बिखेर दिया। इसके विपरीत, ऊपर-नीचे की गति चुंबकीय व्यवस्था को बाधित करने में कम प्रभावी थी। इसने पुष्टि की कि विशिष्ट प्रकार का कंपन अत्यधिक महत्व रखता है; कुछ कंपन चुंबकीय व्यवस्था को अव्यवस्था में बदलने में दूसरों की तुलना में सरलतः बेहतर होते हैं।

टीम ने फिर इन निष्कर्षों को प्रयोगशाला में देखे गए तापमान निर्भरता को समझाने के लिए जोड़ा। जैसे-जैसे सामग्री गर्म होती है, यह थोड़ा फैलती है, ठीक वैसे ही जैसे गर्मी के दिन में धातु का पुल फैलता है। यह सूक्ष्म विस्तार कैसे परमाणुओं के ओवरलैप को बदलता है और उनके इलेक्ट्रॉनों की परस्पर क्रिया को प्रभावित करता है, जिसे 'ऑर्बिटल हाइब्रिडाइजेशन' (orbital hybridization) कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि यह तापीय विस्तार ऊपर-नीचे वाले कंपनों को इलेक्ट्रॉनों के स्पिन अवस्थाओं के साथ जुड़ने में अधिक प्रभावी बनाता है, भले ही वे स्वाभाविक रूप से इन-प्लेन कंपनों की तुलना में कम कुशल हों। फलस्वरूप, उच्च तापमान पर, सामग्री इस कम कुशल ऊपर-नीचे वाले तंत्र पर अधिक निर्भर करती है, जो यह समझाता है कि समग्र डीमैग्नेटाइजेशन की प्रक्रिया क्यों धीमी हो जाती है और स्पिन-फ्लिप की संभावना क्यों कम हो जाती है। यह अंतर्दृष्टि परमाणु जाली को ऊर्जा के एक समान स्नान (uniform bath) के रूप में देखने के पुराने दृष्टिकोण से आगे बढ़कर एक सूक्ष्म परिदृश्य को प्रकट करती है जहाँ विशिष्ट कंपन मोड विशिष्ट, तापमान-निर्भर भूमिकाएँ निभाते हैं।

यह कार्य मौलिक रूप से इस बात को बदल देता है कि वैज्ञानिक चुंबकीय सामग्रियों की गति सीमाओं को कैसे समझते हैं। यह दिखाकर कि स्पिन रिलैक्सेशन की दक्षता इस बात पर निर्भर करती है कि कौन सा विशिष्ट परमाणु कंपन सक्रिय है, यह अध्ययन भविष्य के कंप्यूटिंग उपकरणों के लिए अल्ट्राफास्ट चुंबकीय प्रक्रियाओं को नियंत्रित करने का एक नया ढांचा प्रदान करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि विशिष्ट कंपन मोड को प्राथमिकता देने या उन्हें दबाने के लिए सामग्रियों को इंजीनियर करके, चुंबकीय स्विचिंग की गति को ट्यून करना संभव हो सकता है। शोधकर्ताओं ने स्थापित किया है कि प्रकाश से खोए हुए चुंबकत्व तक का मार्ग एक एकल, समान सड़क नहीं है, बल्कि चैनलों का एक जटिल नेटवर्क है, जिनमें से प्रत्येक की अपनी गति और दक्षता है, जो परमाणुओं के हिलने के सटीक तरीके से निर्धारित होती है।