- चेक मूल के भौतिक विज्ञानी Libor Šmejkal ने कला-कृति से प्रेरणा लेकर चुंबकत्व के एक नए रूप (altermagnetism) की सैद्धांतिक भविष्यवाणी की
- अब तक फेरोमैग्नेटिज़्म (ferromagnetism) और एंटीफेरोमैग्नेटिज़्म (antiferromagnetism), चुंबकत्व के केवल दो ही प्रकार ज्ञात थे, लेकिन तीसरे रूप altermagnet की प्रयोगात्मक पुष्टि हो चुकी है
- Altermagnet का कुल चुंबकीय क्षेत्र 0 होता है, लेकिन यह इलेक्ट्रॉन spin-splitting उत्पन्न कर सकता है, जिससे spintronics तकनीक की सीमाओं को पार किया जा सकता है
- वास्तव में manganese telluride (MnTe), ruthenium dioxide आदि में altermagnetic प्रभाव को प्रयोगों से सिद्ध किया गया है, और 200 से अधिक candidate materials सैद्धांतिक रूप से प्रस्तावित किए गए हैं
- शोध टीम ने आगे बढ़ते हुए antialtermagnetic नामक चुंबकत्व के चौथे रूप की भी सैद्धांतिक भविष्यवाणी की है, जिससे चुंबकत्व की दुनिया और विस्तृत हो रही है
Magnetism का इतिहास और विकास
- चुंबकत्व प्राचीन ग्रीस के समय से जाना जाता है, और आज यह जनरेटर, स्मार्टफ़ोन, अस्पताल स्कैनर जैसी प्रमुख तकनीकों में उपयोग होता है
- चुंबकत्व की पारंपरिक अवधारणा में फेरोमैग्नेटिज़्म (ऐसी संरचना जिसमें सभी spin एक ही दिशा में होते हैं और चुंबकीय बल बनता है) और एंटीफेरोमैग्नेटिज़्म (ऐसी संरचना जिसमें spin दिशाएँ एक-दूसरे को निरस्त कर देती हैं और बाहरी रूप से चुंबकत्व नहीं दिखता), ये दो रूप शामिल थे
- 2022 में Šmejkal ने ऐसे घटनाक्रमों के आधार पर, जिन्हें यह मॉडल नहीं समझा पाता था, ‘altermagnetic’ अवस्था का सिद्धांत प्रस्तुत किया
Šmejkal का विचार और Escher की symmetry
- M.C. Escher की Horseman कृति में दिखाई देने वाले दोहरावदार symmetry pattern से प्रेरित होकर उन्होंने चुंबकीय symmetry की नई व्याख्या की
- पारंपरिक एंटीफेरोमैग्नेट की तरह spin बारी-बारी से दिशा बदलते हैं, लेकिन 90 डिग्री घुमी हुई दिशा के चुंबकीय moment भी प्रकट होते हैं, जिससे अंततः spin-splitting होता है
- इसके कारण उन संरचनाओं में भी दोनों दिशाओं वाले इलेक्ट्रॉन spin का विभाजन संभव हो जाता है, जहाँ पारंपरिक रूप से यह असंभव माना जाता था
Altermagnet का प्रयोगात्मक प्रमाण
- 2024 में, स्विट्ज़रलैंड के PSI संस्थान में Juraj Krempaský की टीम ने manganese telluride (MnTe) में altermagnet प्रभाव का अवलोकन किया
- इलेक्ट्रॉनों की गति को ट्रैक करने पर परिणाम Šmejkal के सिद्धांत से बहुत अधिक मेल खाते दिखे
- इसके बाद ruthenium dioxide आदि में भी altermagnet होने की संभावना की पुष्टि हुई
Spintronics और altermagnet की संभावनाएँ
- Spintronics एक अगली पीढ़ी की तकनीक है जो इलेक्ट्रॉन spin का उपयोग करके जानकारी को स्टोर और प्रोसेस करती है
- अब तक केवल फेरोमैग्नेट ही spin विभाजन दे सकते थे, इसलिए miniaturization और integration की सीमाएँ थीं
- Altermagnet में चुंबकीय बल 0 होने के बावजूद spin विभाजन संभव है, interference नहीं होता, low power और miniaturization जैसी आदर्श विशेषताएँ मिलती हैं
नए पदार्थों का विकास और commercialization की संभावना
- मौजूदा एंटीफेरोमैग्नेटिक पदार्थों पर compressive strain लगाकर, या heterogeneous material layering (sandwich structure) के जरिए symmetry को बाधित कर altermagnet अवस्था उत्पन्न की जा सकती है
- उदाहरण: compression दिया गया rhenium dioxide, और multi-layer संरचना से बनाया गया stacked antiferromagnet
- हालांकि कृत्रिम तरीके व्यावहारिक उपयोग में सीमित हो सकते हैं, इसलिए प्रकृति में स्वाभाविक altermagnetism वाले पदार्थों की खोज अधिक आशाजनक मानी जा रही है
- Šmejkal की टीम ने 200 से अधिक candidate materials सैद्धांतिक रूप से निकाले हैं
commercialization के लिए अगला चरण
- Oliver Amin की शोध टीम ने दिखाया कि MnTe की चुंबकीय संरचना को गरम और ठंडा करके नियंत्रित किया जा सकता है
- इसे spintronics के लिए व्यावहारिक materials implementation के शुरुआती चरण के रूप में देखा जा रहा है
- MnTe पर पहले से 20 वर्षों से अधिक समय से शोध हो रहा है, इसलिए यह high-purity synthesis और प्रयोगों के लिए अनुकूल है
चुंबकत्व का चौथा रूप: Antialtermagnetism
- Šmejkal ने altermagnet से आगे बढ़ते हुए zigzag spin symmetry structure वाले antialtermagnet का सिद्धांत भी प्रस्तुत किया
- इसमें इलेक्ट्रॉन spin सममित रूप से व्यवस्थित होते हैं, इसलिए कुल चुंबकीय बल नहीं होता, लेकिन इलेक्ट्रॉन की गति के मार्ग में बदलाव लाकर spin विभाजन उत्पन्न होता है
- इस पर शोधपत्र अभी peer review से पहले के चरण में है, लेकिन यह नए चुंबकीय प्रभावों की संभावना दिखाता है
निष्कर्ष
- Altermagnet की खोज चुंबकत्व की अवधारणा का विस्तार करती है और spintronics के व्यावहारिक उपयोग को तेज़ करने वाला अहम मोड़ बन सकती है
- आने वाले 10 वर्षों में इसके commercializable नए materials तक पहुँचने की संभावना काफ़ी अधिक है, और इस दिशा में सक्रिय शोध जारी है
- Escher की symmetry से शुरू हुआ यह शोध कला, गणित और भौतिकी के संगम का एक प्रतिनिधि उदाहरण बनकर उभरा है
1 टिप्पणियां
Hacker News राय
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मेरी समझ के अनुसार, इस तकनीक का असली फायदा solid-state तरीके के magnetic storage device हैं
मौजूदा magnetic storage device magnetic field बनाते हैं, लेकिन यह नया altermagnet material magnetic field उत्पन्न किए बिना external magnetic field पर प्रतिक्रिया करता है
इसलिए devices को बहुत घनी तरह से रखा जा सकता है और interference की चिंता नहीं रहती
कमजोर electric pulse से bit के 0 और 1 को पढ़ा जाता है, और मजबूत pulse से bit को पलटा जाता है
क्योंकि इसमें atom खुद पलटे जाते हैं, इसलिए structure टूटता नहीं और charge inject नहीं करना पड़ता, जिससे इसकी उम्र लंबी होगी और read/write cycle लगभग अनंत के करीब मानी जा सकती है
माना जा रहा है कि यह सामान्य silicon manufacturing process के साथ compatible हो सकता है
हालांकि, तकनीकी रूप से असली सवाल यह है कि read structure को आपस में कितना घना रखा जा सकता है
कमजोर electric pulse से bit state का पता लगाना और मजबूत pulse से उसे पलटना—यह व्याख्या सच में कमाल की है
Feynman-style insight के साथ बात को एक वाक्य में बिल्कुल सही तरीके से समेट दिया गया है, यह बहुत प्रभावशाली है
अगर ऐसा storage device आता है, तो मेरा मानना है कि सिर्फ solid-state memory ही नहीं, बल्कि Hall effect आधारित industrial sensor के पूरे क्षेत्र में resolution और noise immunity काफी बढ़ जाएगी
दरअसल मौजूदा "सामान्य" magnetic material भी magnetic field की दिशा बदल सकते हैं, यह इस paper में देखा जा सकता है
लेख में "Confirming that altermagnets exist" सेक्शन वास्तविक उपयोगों को अच्छी तरह समझाता है
पारंपरिक रूप से spin-आधारित high-density information storage के लिए केवल वही material इस्तेमाल किए गए हैं जिनमें spin स्वाभाविक रूप से align होते हैं, आम तौर पर ferromagnets
समस्या यह है कि ferromagnets के साथ बहुत बड़े magnetic field जुड़े होते हैं, जो व्यावहारिक उपयोग में बड़ी बाधा बनते हैं
नए altermagnet में spin अच्छी तरह व्यवस्थित रहते हैं, जबकि प्रत्येक atom