एक नया क्रिस्टल चुंबकत्व को आश्चर्यजनक तरीके से मोड़ देता है

निष्कर्ष, में प्रकाशित अमेरिकी रसायन सोसाइटी का जर्नलदिखाएँ कि लगभग समान रासायनिक संरचना लेकिन बहुत भिन्न क्रिस्टल संरचनाओं वाली दो सामग्रियों को मिश्रित करने से एक पूरी तरह से नई संरचना उत्पन्न हो सकती है। यह अप्रत्याशित हाइब्रिड क्रिस्टल चुंबकीय गुण प्रदर्शित करता है जो किसी भी मूल सामग्री में दिखाई नहीं देता है।

कैसे परमाणु घूमता है चुंबकत्व पैदा करता है

चुंबकत्व परमाणु पैमाने पर शुरू होता है। चुंबकीय पदार्थों में, परमाणु स्पिन नामक गुण के कारण प्रत्येक परमाणु एक छोटे बार चुंबक की तरह व्यवहार करता है। स्पिन को एक परमाणु के चुंबकीय क्षेत्र की दिशा दिखाने वाले एक छोटे तीर के रूप में चित्रित किया जा सकता है।

जब कई परमाणु घूमते हैं, या तो एक ही दिशा में या विपरीत दिशाओं में इशारा करते हैं, तो वे कंप्यूटर और स्मार्टफोन जैसी रोजमर्रा की प्रौद्योगिकियों में उपयोग की जाने वाली परिचित चुंबकीय शक्ति उत्पन्न करते हैं। इस प्रकार का व्यवस्थित संरेखण पारंपरिक चुम्बकों का विशिष्ट है।

एफएसयू टीम ने प्रदर्शित किया कि उनकी नई सामग्री बहुत अलग तरीके से व्यवहार करती है। बड़े करीने से पंक्तिबद्ध होने के बजाय, परमाणु स्पिन जटिल, दोहराए जाने वाले भंवर पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। ये व्यवस्थाएँ, जिन्हें स्पिन बनावट के रूप में जाना जाता है, दृढ़ता से प्रभावित करती हैं कि कोई सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों पर कैसे प्रतिक्रिया करती है।

संरचनात्मक निराशा के माध्यम से चुंबकीय भंवर बनाना

इन असामान्य प्रभावों को उत्पन्न करने के लिए, शोधकर्ताओं ने जानबूझकर दो यौगिकों को जोड़ा जो रासायनिक रूप से समान हैं लेकिन संरचनात्मक रूप से बेमेल हैं। प्रत्येक यौगिक में एक अलग क्रिस्टल समरूपता होती है, जिसका अर्थ है कि परमाणु असंगत तरीकों से व्यवस्थित होते हैं।

जब ये संरचनाएं मिलती हैं, तो कोई भी व्यवस्था पूरी तरह से हावी नहीं हो पाती है। सीमा पर यह अस्थिरता पैदा करती है जिसे वैज्ञानिक संरचनात्मक “हताशा” कहते हैं, जहां सिस्टम एक सरल, स्थिर पैटर्न में व्यवस्थित नहीं हो सकता है।

“हमने सोचा कि शायद यह संरचनात्मक हताशा चुंबकीय हताशा में बदल जाएगी,” सह-लेखक माइकल शत्रुक, एफएसयू रसायन विज्ञान और जैव रसायन विभाग के प्रोफेसर ने कहा। “यदि संरचनाएं प्रतिस्पर्धा में हैं, तो शायद इससे स्पिन मुड़ जाएंगी। आइए कुछ ऐसी संरचनाएं खोजें जो रासायनिक रूप से बहुत करीब हों लेकिन उनमें अलग-अलग समरूपताएं हों।”

टीम ने मैंगनीज, कोबाल्ट और जर्मेनियम से बने एक यौगिक को मैंगनीज, कोबाल्ट और आर्सेनिक से बने एक अन्य यौगिक के साथ मिलाकर इस विचार का परीक्षण किया। जर्मेनियम और आर्सेनिक आवर्त सारणी पर एक दूसरे के बगल में बैठते हैं, जिससे यौगिक रासायनिक रूप से समान लेकिन संरचनात्मक रूप से भिन्न होते हैं।

एक बार जब मिश्रण ठंडा और क्रिस्टलीकृत हो गया, तो शोधकर्ताओं ने परिणाम की जांच की और घूमते हुए चुंबकीय पैटर्न की उपस्थिति की पुष्टि की, जिसका वे लक्ष्य बना रहे थे। इन साइक्लोइडल स्पिन व्यवस्थाओं को स्किर्मियन-जैसी स्पिन बनावट के रूप में जाना जाता है, जो भौतिकी और रसायन विज्ञान में वर्तमान शोध का एक प्रमुख केंद्र है।

चुंबकीय संरचना को विस्तार से मैप करने के लिए, टीम ने स्पैलेशन न्यूट्रॉन स्रोत पर TOPAZ उपकरण पर एकत्र किए गए एकल-क्रिस्टल न्यूट्रॉन विवर्तन माप का उपयोग किया। यह अमेरिकी ऊर्जा विभाग विज्ञान कार्यालय उपयोगकर्ता सुविधा ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी में स्थित है।

ये चुंबकीय पैटर्न क्यों मायने रखते हैं?

जिन सामग्रियों में स्किर्मियन जैसी स्पिन बनावट होती है, उनमें कई आशाजनक तकनीकी फायदे होते हैं। एक संभावित उपयोग अगली पीढ़ी के हार्ड ड्राइव में है जो एक ही भौतिक स्थान में कहीं अधिक जानकारी संग्रहीत करता है।

स्किर्मियन्स को बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करके भी स्थानांतरित किया जा सकता है, जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बिजली की मांग को काफी कम कर सकता है। हजारों प्रोसेसर वाले बड़े पैमाने के कंप्यूटिंग सिस्टम में, मामूली दक्षता लाभ भी बिजली और कूलिंग पर बड़ी बचत में तब्दील हो सकता है।

यह शोध दोष-सहिष्णु क्वांटम कंप्यूटिंग सिस्टम के विकास को निर्देशित करने में भी मदद कर सकता है। इन प्रणालियों को नाजुक क्वांटम जानकारी की रक्षा करने और त्रुटियों और शोर के बावजूद विश्वसनीय रूप से संचालन जारी रखने के लिए डिज़ाइन किया गया है – क्वांटम सूचना प्रसंस्करण की पवित्र कब्र।

ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के एक प्रतिष्ठित न्यूट्रॉन स्कैटरिंग वैज्ञानिक जियाओपिंग वांग ने कहा, “TOPAZ से एकल-क्रिस्टल न्यूट्रॉन विवर्तन डेटा और हमारे LDRD प्रोजेक्ट से नए डेटा-रिडक्शन और मशीन-लर्निंग टूल के साथ, हम अब बहुत जटिल चुंबकीय संरचनाओं को बहुत अधिक आत्मविश्वास के साथ हल कर सकते हैं।” “यह क्षमता हमें असामान्य स्पिन बनावट को खोजने से लेकर भविष्य की जानकारी और क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए जानबूझकर डिजाइन करने और अनुकूलित करने की ओर ले जाती है।”

सामग्री को खोजने के बजाय उसे डिज़ाइन करना

स्किर्मियन्स पर पहले के अधिकांश कार्यों में ज्ञात सामग्रियों की खोज करना और उन्हें एक-एक करके परीक्षण करना शामिल था ताकि यह देखा जा सके कि वांछित चुंबकीय पैटर्न दिखाई देते हैं या नहीं।

इस अध्ययन ने अधिक विचारशील दृष्टिकोण अपनाया। मौजूदा उदाहरणों की तलाश करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने विशिष्ट चुंबकीय व्यवहार बनाने के लिए एक मार्गदर्शक सिद्धांत के रूप में संरचनात्मक निराशा का उपयोग करते हुए, जमीन से एक नई सामग्री तैयार की।

“यह रासायनिक सोच है, क्योंकि हम इस बारे में सोच रहे हैं कि इन संरचनाओं के बीच संतुलन उन्हें और उनके बीच के संबंध को कैसे प्रभावित करता है, और फिर यह परमाणु स्पिन के बीच के संबंध में कैसे अनुवादित हो सकता है,” शत्रुक ने कहा।

इन पैटर्नों को नियंत्रित करने वाले अंतर्निहित नियमों को समझकर, वैज्ञानिक अंततः यह अनुमान लगाने में सक्षम हो सकते हैं कि सामग्री बनाने से पहले जटिल स्पिन बनावट कहाँ बनेगी।

शत्रुक की प्रयोगशाला में स्नातक छात्र सह-लेखक इयान कैंपबेल ने कहा, “विचार यह अनुमान लगाने में सक्षम होना है कि ये जटिल स्पिन बनावट कहां दिखाई देंगी।” “परंपरागत रूप से, भौतिक विज्ञानी ज्ञात सामग्रियों की तलाश करेंगे जो पहले से ही उस समरूपता को प्रदर्शित करते हैं जो वे चाहते हैं और उनके गुणों को मापते हैं। लेकिन यह संभावनाओं की सीमा को सीमित करता है। हम यह कहने की भविष्यवाणी करने की क्षमता विकसित करने की कोशिश कर रहे हैं, ‘अगर हम इन दो चीजों को एक साथ जोड़ते हैं, तो हम इन वांछित गुणों के साथ एक पूरी तरह से नई सामग्री बनाएंगे।”

यह रणनीति उपयोगी सामग्रियों की श्रृंखला का विस्तार करके भविष्य की प्रौद्योगिकियों को और अधिक व्यावहारिक बना सकती है। यह लचीलापन शोधकर्ताओं को क्रिस्टल को अधिक आसानी से विकसित करने, कम लागत और उन्नत चुंबकीय सामग्रियों के लिए आपूर्ति श्रृंखला को मजबूत करने की अनुमति दे सकता है।

ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला में अनुसंधान अनुभव

कैंपबेल ने एफएसयू फ़ेलोशिप द्वारा समर्थित रहते हुए ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी में शोध का एक हिस्सा पूरा किया।

उन्होंने कहा, “वह अनुभव इस शोध के लिए महत्वपूर्ण था।” “ओक रिज पर रहने से मुझे वहां के वैज्ञानिकों के साथ संबंध बनाने और इस अध्ययन को पूरा करने के लिए हमें कुछ समस्याओं को हल करने में मदद करने के लिए उनकी विशेषज्ञता का उपयोग करने की अनुमति मिली।”

फ्लोरिडा स्टेट यूनिवर्सिटी 1951 से ओक रिज एसोसिएटेड यूनिवर्सिटीज का प्रायोजक सदस्य रहा है और राष्ट्रीय प्रयोगशाला का एक मुख्य विश्वविद्यालय भागीदार भी है। इस साझेदारी के माध्यम से, एफएसयू संकाय सदस्य, पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता और स्नातक छात्र ओआरएनएल सुविधाओं तक पहुंच सकते हैं और प्रयोगशाला वैज्ञानिकों के साथ सहयोग कर सकते हैं।

सहयोग और वित्त पोषण

अध्ययन के अतिरिक्त सह-लेखकों में एफएसयू रसायन विज्ञान और जैव रसायन विभाग से यिक्सू वांग, ज़ाचरी पी. टेनेर, जूडिथ के. क्लार्क और जैक्नेल ग्रेटरोल शामिल हैं; यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधा से आंद्रेई रोगालेव और फैब्रिस विल्हेम; विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय बीजिंग से हू झांग और यी लॉन्ग; आरडब्ल्यूटीएच आचेन विश्वविद्यालय से रिचर्ड ड्रोन्स्कोव्स्की; और ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी से जियाओपिंग वांग।

अनुसंधान को राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था और फ्लोरिडा स्टेट यूनिवर्सिटी और ओक रिज नेशनल प्रयोगशाला में सुविधाओं का उपयोग करके किया गया था।