एमआईटी भौतिकविदों ने केवल प्रकाश का उपयोग करके एक सामग्री में एक नई और लंबे समय तक चलने वाली चुंबकीय स्थिति बनाई है।
एक अध्ययन में जो सामने आएगा प्रकृतिशोधकर्ताओं ने एक एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री में परमाणुओं को सीधे उत्तेजित करने के लिए टेराहर्ट्ज़ लेजर – एक प्रकाश स्रोत जो प्रति सेकंड एक ट्रिलियन से अधिक बार दोलन करता है – का उपयोग करने की रिपोर्ट दी है। लेजर के दोलन सामग्री के परमाणुओं के बीच प्राकृतिक कंपन के अनुरूप होते हैं, जिससे परमाणु स्पिन का संतुलन एक नई चुंबकीय स्थिति की ओर स्थानांतरित हो जाता है।
परिणाम एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्रियों को नियंत्रित करने और स्विच करने का एक नया तरीका प्रदान करते हैं, जो सूचना प्रसंस्करण और मेमोरी चिप प्रौद्योगिकी को आगे बढ़ाने की उनकी क्षमता के लिए रुचि रखते हैं।
सामान्य चुम्बकों में, जिन्हें लौह चुम्बक के रूप में जाना जाता है, परमाणुओं के घूर्णन एक ही दिशा में इंगित करते हैं, जिससे संपूर्ण को आसानी से प्रभावित किया जा सकता है और किसी भी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में खींचा जा सकता है। इसके विपरीत, एंटीफेरोमैग्नेट बारी-बारी से घूमने वाले परमाणुओं से बने होते हैं, जिनमें से प्रत्येक अपने पड़ोसी से विपरीत दिशा की ओर इशारा करता है। यह ऊपर, नीचे, ऊपर, नीचे क्रम अनिवार्य रूप से स्पिन को रद्द कर देता है, जिससे एंटीफेरोमैग्नेट को शुद्ध शून्य चुंबकीयकरण मिलता है जो किसी भी चुंबकीय खिंचाव के लिए अभेद्य होता है।
यदि एक मेमोरी चिप को एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री से बनाया जा सकता है, तो डेटा को सामग्री के सूक्ष्म क्षेत्रों में “लिखा” जा सकता है, जिन्हें डोमेन कहा जाता है। किसी दिए गए डोमेन में स्पिन ओरिएंटेशन का एक निश्चित कॉन्फ़िगरेशन (उदाहरण के लिए, ऊपर-नीचे) शास्त्रीय बिट “0” का प्रतिनिधित्व करेगा और एक अलग कॉन्फ़िगरेशन (डाउन-अप) का अर्थ “1” होगा। ऐसी चिप पर लिखा गया डेटा बाहरी चुंबकीय प्रभाव के खिलाफ मजबूत होगा।
इस और अन्य कारणों से, वैज्ञानिकों का मानना है कि एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री मौजूदा चुंबकीय-आधारित भंडारण प्रौद्योगिकियों का अधिक मजबूत विकल्प हो सकती है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा यह है कि एंटीफेरोमैग्नेट्स को इस तरह से कैसे नियंत्रित किया जाए कि सामग्री विश्वसनीय रूप से एक चुंबकीय स्थिति से दूसरे में बदल जाए।
एमआईटी में भौतिकी के डोनर प्रोफेसर नुह गेदिक कहते हैं, “एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्रियां मजबूत होती हैं और अवांछित भटके चुंबकीय क्षेत्रों से प्रभावित नहीं होती हैं।” “हालांकि, यह मजबूती एक दोधारी तलवार है; कमजोर चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति उनकी असंवेदनशीलता इन सामग्रियों को नियंत्रित करना मुश्किल बना देती है।”
सावधानीपूर्वक ट्यून किए गए टेराहर्ट्ज़ प्रकाश का उपयोग करके, एमआईटी टीम एक एंटीफेरोमैग्नेट को नियंत्रित रूप से एक नई चुंबकीय स्थिति में बदलने में सक्षम थी। एंटीफेरोमैग्नेट्स को भविष्य के मेमोरी चिप्स में शामिल किया जा सकता है जो चुंबकीय डोमेन की स्थिरता के कारण कम ऊर्जा का उपयोग करते हुए और मौजूदा उपकरणों के स्थान का एक अंश लेते हुए अधिक डेटा संग्रहीत और संसाधित करते हैं।
गेडिक कहते हैं, “आम तौर पर, ऐसी एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्रियों को नियंत्रित करना आसान नहीं होता है।” “अब हमारे पास उन्हें ट्यून करने और मोड़ने में सक्षम होने के लिए कुछ घुंडी हैं।”
गेदिक नए अध्ययन के वरिष्ठ लेखक हैं, जिसमें एमआईटी के सह-लेखक बातिर इलियास, तियानचुआंग लुओ, अलेक्जेंडर वॉन होगेन, ज़ुक्वान झांग और कीथ नेल्सन के साथ-साथ जर्मनी में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर द स्ट्रक्चर एंड डायनेमिक्स ऑफ मैटर के सहयोगी भी शामिल हैं। , स्पेन में बास्क देश विश्वविद्यालय, सियोल नेशनल यूनिवर्सिटी, और न्यूयॉर्क में फ़्लैटिरॉन इंस्टीट्यूट।
बंद संतुलन
एमआईटी में गेडिक का समूह क्वांटम सामग्रियों में हेरफेर करने की तकनीक विकसित करता है जिसमें परमाणुओं के बीच बातचीत विदेशी घटनाओं को जन्म दे सकती है।
गेडिक कहते हैं, “आम तौर पर, हम सामग्री को प्रकाश के साथ उत्तेजित करते हैं ताकि यह जान सकें कि उन्हें मूल रूप से एक साथ क्या रखता है।” “उदाहरण के लिए, यह सामग्री एक एंटीफेरोमैग्नेट क्यों है, और क्या सूक्ष्म अंतःक्रियाओं को परेशान करने का कोई तरीका है जैसे कि यह फेरोमैग्नेट में बदल जाए?”
अपने नए अध्ययन में, टीम ने FePS के साथ काम किया3 – एक सामग्री जो लगभग 118 केल्विन (-247 डिग्री फ़ारेनहाइट) के महत्वपूर्ण तापमान पर एंटीफेरोमैग्नेटिक चरण में परिवर्तित होती है।
टीम को संदेह था कि वे सामग्री के परमाणु कंपन को समायोजित करके उसके संक्रमण को नियंत्रित कर सकते हैं।
वॉन होगेन बताते हैं, “किसी भी ठोस में, आप इसे अलग-अलग परमाणुओं के रूप में देख सकते हैं जो समय-समय पर व्यवस्थित होते हैं, और परमाणुओं के बीच छोटे-छोटे झरने होते हैं।” “यदि आप एक परमाणु को खींचते हैं, तो यह एक विशिष्ट आवृत्ति पर कंपन करेगा जो आमतौर पर टेराहर्ट्ज़ रेंज में होता है।”
जिस तरह से परमाणु कंपन करते हैं उसका संबंध इस बात से भी होता है कि उनके चक्कर एक-दूसरे के साथ कैसे संपर्क करते हैं। टीम ने तर्क दिया कि यदि वे टेराहर्ट्ज़ स्रोत के साथ परमाणुओं को उत्तेजित कर सकते हैं जो परमाणुओं के सामूहिक कंपन के समान आवृत्ति पर दोलन करता है, जिसे फोनन कहा जाता है, तो प्रभाव परमाणुओं के स्पिन को उनके पूरी तरह से संतुलित, चुंबकीय रूप से वैकल्पिक संरेखण से बाहर भी कर सकता है। एक बार संतुलन से बाहर हो जाने पर, परमाणुओं को एक दिशा में दूसरे की तुलना में बड़े स्पिन होने चाहिए, जिससे एक पसंदीदा अभिविन्यास तैयार हो सके जो स्वाभाविक रूप से गैर-चुंबकीय सामग्री को परिमित चुंबकीयकरण के साथ एक नई चुंबकीय स्थिति में स्थानांतरित कर देगा।
गेडिक कहते हैं, “विचार यह है कि आप एक पत्थर से दो पक्षियों को मार सकते हैं: आप परमाणुओं के टेराहर्ट्ज़ कंपन को उत्तेजित करते हैं, जो स्पिन को भी जोड़ता है।”
हिलाओ और लिखो
इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने FePS के नमूने के साथ काम किया3 इसे सियोल नेशनल यूनिवर्सिटी के सहयोगियों द्वारा संश्लेषित किया गया था। उन्होंने नमूने को एक निर्वात कक्ष में रखा और इसे 118 K या उससे नीचे के तापमान पर ठंडा किया। फिर उन्होंने एक कार्बनिक क्रिस्टल के माध्यम से निकट-अवरक्त प्रकाश की किरण को लक्ष्य करके एक टेराहर्ट्ज़ पल्स उत्पन्न किया, जिसने प्रकाश को टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों में बदल दिया। फिर उन्होंने इस टेराहर्ट्ज़ प्रकाश को नमूने की ओर निर्देशित किया।
लुओ कहते हैं, “यह टेराहर्ट्ज़ पल्स वह है जिसका उपयोग हम नमूने में बदलाव लाने के लिए करते हैं।” “यह नमूने में एक नई स्थिति ‘लिखने’ जैसा है।”
यह पुष्टि करने के लिए कि पल्स ने सामग्री के चुंबकत्व में बदलाव को ट्रिगर किया, टीम ने नमूने पर दो निकट-अवरक्त लेजर का भी लक्ष्य रखा, जिनमें से प्रत्येक में विपरीत गोलाकार ध्रुवीकरण था। यदि टेराहर्ट्ज़ पल्स का कोई प्रभाव नहीं पड़ा, तो शोधकर्ताओं को संचरित अवरक्त लेजर की तीव्रता में कोई अंतर नहीं देखना चाहिए।
इलियास कहते हैं, “सिर्फ एक अंतर देखने से हमें पता चलता है कि सामग्री अब मूल एंटीफेरोमैग्नेट नहीं है, और हम परमाणुओं को हिलाने के लिए टेराहर्ट्ज प्रकाश का उपयोग करके अनिवार्य रूप से एक नई चुंबकीय स्थिति उत्पन्न कर रहे हैं।”
बार-बार किए गए प्रयोगों के बाद, टीम ने देखा कि एक टेराहर्ट्ज़ पल्स ने पहले से मौजूद एंटीफेरोमैग्नेटिक सामग्री को सफलतापूर्वक एक नई चुंबकीय स्थिति में बदल दिया – एक संक्रमण जो आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक, कई मिलीसेकंड से अधिक, लेजर बंद होने के बाद भी जारी रहा।
गेदिक कहते हैं, “लोगों ने पहले भी अन्य प्रणालियों में इन प्रकाश-प्रेरित चरण परिवर्तनों को देखा है, लेकिन आम तौर पर वे पिकोसेकंड के क्रम पर बहुत कम समय तक जीवित रहते हैं, जो एक सेकंड का खरबवां हिस्सा है।”
केवल कुछ मिलीसेकंड में, वैज्ञानिकों के पास अब समय की एक अच्छी खिड़की हो सकती है, जिसके दौरान वे अस्थायी नए राज्य के गुणों की जांच कर सकते हैं, इससे पहले कि यह अपने अंतर्निहित एंटीफेरोमैग्नेटिज्म में वापस आ जाए। फिर, वे एंटीफेरोमैग्नेट को संशोधित करने और अगली पीढ़ी की मेमोरी स्टोरेज प्रौद्योगिकियों में उनके उपयोग को अनुकूलित करने के लिए नए नॉब की पहचान करने में सक्षम हो सकते हैं।
इस शोध को आंशिक रूप से अमेरिकी ऊर्जा विभाग, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग प्रभाग, बुनियादी ऊर्जा विज्ञान कार्यालय और गॉर्डन और बेट्टी मूर फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था।
