छोटे चुम्बकों की आंतरिक कार्यप्रणाली को देखने का एक नया तरीका

एनटीएनयू के शोधकर्ता कुछ अत्यंत चमकदार एक्स-रे की सहायता से चलचित्र बनाकर छोटे पैमाने पर चुंबकीय पदार्थों पर प्रकाश डाल रहे हैं।

एनटीएनयू के इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम विभाग में ऑक्साइड इलेक्ट्रॉनिक्स समूह के सह-निदेशक एरिक फोल्वेन और एनटीएनयू तथा बेल्जियम के गेन्ट विश्वविद्यालय के उनके सहयोगियों ने यह देखने का प्रयास किया कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित होने पर पतली फिल्म वाले सूक्ष्म चुम्बक कैसे बदलते हैं। एनटीएनयू नैनो और नॉर्वे की अनुसंधान परिषद द्वारा आंशिक रूप से वित्त पोषित यह कार्य, फिजिकल रिव्यू रिसर्च पत्रिका में प्रकाशित हुआ।

छोटे चुम्बक

एइनर स्टेंडल डिगेर्नेस ने प्रयोगों में प्रयुक्त होने वाले छोटे वर्गाकार चुम्बकों का आविष्कार किया।

एनटीएनयू के पीएचडी उम्मीदवार एइनर स्टैंडल डिगेर्नेस द्वारा निर्मित ये छोटे वर्गाकार चुम्बक, केवल दो माइक्रोमीटर चौड़े हैं तथा चार त्रिकोणीय डोमेन में विभाजित हैं, जिनमें से प्रत्येक का चुम्बकीय अभिविन्यास अलग-अलग है, जो चुम्बकों के चारों ओर दक्षिणावर्त या वामावर्त दिशा में इंगित करता है।

कुछ चुंबकीय पदार्थों में, परमाणुओं के छोटे समूह डोमेन नामक क्षेत्रों में एक साथ बंध जाते हैं, जिसमें सभी इलेक्ट्रॉनों का चुंबकीय अभिविन्यास समान होता है।

एनटीएनयू चुम्बकों में, ये डोमेन एक केन्द्रीय बिंदु - भंवर कोर - पर मिलते हैं, जहां चुंबकीय आघूर्ण पदार्थ के तल के सीधे अन्दर या बाहर की ओर इंगित करता है।

फोल्वेन कहते हैं, "जब हम चुंबकीय क्षेत्र लगाते हैं, तो इनमें से ज़्यादा से ज़्यादा डोमेन एक ही दिशा में इशारा करेंगे। वे बढ़ सकते हैं, सिकुड़ सकते हैं, और फिर एक-दूसरे में विलीन हो सकते हैं।"

इलेक्ट्रॉन लगभग प्रकाश की गति पर

ऐसा होते देखना आसान नहीं है। शोधकर्ता अपने सूक्ष्म चुम्बकों को बर्लिन स्थित 80 मीटर चौड़े डोनट के आकार के सिंक्रोट्रॉन, जिसे BESSY II के नाम से जाना जाता है, के पास ले गए, जहाँ इलेक्ट्रॉनों को तब तक त्वरित किया जाता है जब तक कि वे लगभग प्रकाश की गति से यात्रा करने लगते हैं। ये तेज़ गति से चलने वाले इलेक्ट्रॉन फिर अत्यंत चमकीली एक्स-रे उत्सर्जित करते हैं।

फोल्वेन कहते हैं, "हम इन एक्स-रे को लेते हैं और उन्हें अपने माइक्रोस्कोप में प्रकाश के रूप में उपयोग करते हैं।"

चूंकि इलेक्ट्रॉन सिंक्रोट्रॉन के चारों ओर दो नैनोसेकंड के अंतराल पर गुच्छों में घूमते हैं, इसलिए उनके द्वारा उत्सर्जित एक्स-रे सटीक स्पंदनों में आते हैं।

एक स्कैनिंग ट्रांसमिशन एक्स-रे माइक्रोस्कोप, या एसटीएक्सएम, उन एक्स-रे किरणों को लेकर पदार्थ की चुंबकीय संरचना का एक स्नैपशॉट बनाता है। इन स्नैपशॉट्स को एक साथ जोड़कर, शोधकर्ता एक चलचित्र बना सकते हैं जो दर्शाता है कि समय के साथ सूक्ष्म चुंबक कैसे बदलता है।

एसटीएक्सएम की सहायता से, फोल्वेन और उनके सहयोगियों ने विद्युत धारा के स्पंद से अपने सूक्ष्म चुम्बकों को विचलित किया, जिससे चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न हुआ, और उन्होंने देखा कि डोमेन का आकार बदल गया और भंवर कोर केंद्र से हट गया।

वे कहते हैं, "आपके पास एक बहुत छोटा चुंबक होता है, और फिर आप उसे दबाते हैं और जब वह वापस स्थिर होता है, तो उसकी छवि बनाने की कोशिश करते हैं।" बाद में, उन्होंने देखा कि कोर बीच में वापस आ गया—लेकिन एक घुमावदार रास्ते पर, सीधी रेखा में नहीं।

फोल्वेन कहते हैं, "यह एक तरह से केंद्र की ओर वापस लौटेगा।"

एक चूक और सब ख़त्म

ऐसा इसलिए है क्योंकि वे एपीटैक्सियल पदार्थों का अध्ययन करते हैं, जो एक सब्सट्रेट के ऊपर बनाए जाते हैं, जो शोधकर्ताओं को पदार्थ के गुणों में बदलाव करने की अनुमति देता है, लेकिन एसटीएक्सएम में एक्स-रे को अवरुद्ध कर देता है।

एनटीएनयू नैनोलैब में काम करते हुए, शोधकर्ताओं ने अपने सूक्ष्म चुम्बक को उसके चुंबकीय गुणों की रक्षा के लिए कार्बन की एक परत के नीचे दबाकर सब्सट्रेट समस्या का समाधान किया।

फिर उन्होंने गैलियम आयनों की एक केंद्रित किरण से नीचे के सब्सट्रेट को सावधानीपूर्वक और सटीकता से तब तक छीला जब तक कि केवल एक बहुत पतली परत ही शेष न रह गई। इस श्रमसाध्य प्रक्रिया में प्रत्येक नमूने में आठ घंटे लग सकते थे—और एक भी चूक आपदा का कारण बन सकती थी।

वे कहते हैं, "महत्वपूर्ण बात यह है कि अगर आप चुंबकीय शक्ति को ख़त्म कर देंगे, तो बर्लिन पहुँचने से पहले हमें इसका पता नहीं चलेगा। बेशक, तरकीब यही है कि एक से ज़्यादा नमूने लाएँ।"

मौलिक भौतिकी से लेकर भविष्य के उपकरणों तक

शुक्र है कि यह कारगर रहा, और टीम ने अपने सावधानीपूर्वक तैयार किए गए नमूनों का इस्तेमाल करके यह दर्शाया कि समय के साथ सूक्ष्म चुंबक के डोमेन कैसे बढ़ते और सिकुड़ते हैं। उन्होंने यह समझने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन भी बनाए कि कौन-सी शक्तियाँ काम कर रही थीं।

मौलिक भौतिकी के बारे में हमारे ज्ञान को बढ़ाने के साथ-साथ, यह समझना कि इन लंबाई और समय पैमानों पर चुंबकत्व कैसे काम करता है, भविष्य के उपकरणों के निर्माण में सहायक हो सकता है।

चुंबकत्व का उपयोग डेटा संग्रहण के लिए पहले से ही किया जाता रहा है, लेकिन शोधकर्ता वर्तमान में इसके और अधिक दोहन के तरीके खोज रहे हैं। उदाहरण के लिए, एक सूक्ष्म चुंबक के भंवर कोर और डोमेन के चुंबकीय अभिविन्यासों का उपयोग संभवतः 0 और 1 के रूप में सूचना को एनकोड करने के लिए किया जा सकता है।

शोधकर्ता अब इस कार्य को प्रति-लौहचुंबकीय पदार्थों के साथ दोहराने का लक्ष्य बना रहे हैं, जहाँ व्यक्तिगत चुंबकीय आघूर्णों का शुद्ध प्रभाव समाप्त हो जाता है। कंप्यूटिंग के लिहाज से ये आशाजनक हैं—सिद्धांततः, प्रति-लौहचुंबकीय पदार्थों का उपयोग ऐसे उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है जिन्हें कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है और जो बिजली जाने पर भी स्थिर रहते हैं—लेकिन इनकी जाँच करना बहुत मुश्किल है क्योंकि इनसे उत्पन्न होने वाले संकेत बहुत कमज़ोर होंगे।

इस चुनौती के बावजूद, फोल्वेन आशावादी हैं। वे कहते हैं, "हमने यह दिखाकर पहला कदम उठाया है कि हम नमूने बना सकते हैं और उन्हें एक्स-रे से देख सकते हैं। अगला कदम यह देखना होगा कि क्या हम इतनी उच्च गुणवत्ता वाले नमूने बना सकते हैं कि किसी प्रति-लौहचुंबकीय पदार्थ से पर्याप्त संकेत प्राप्त कर सकें।"