छोटे चुम्बकों की आंतरिक कार्यप्रणाली को देखने का एक नया तरीका

एनटीएनयू के शोधकर्ता कुछ अत्यंत चमकीली एक्स-रे किरणों की मदद से फिल्में 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 घेंट विश्वविद्यालय के उनके सहयोगियों ने यह देखने का प्रयास किया कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र से प्रभावित होने पर पतली-फिल्म वाले माइक्रोमैग्नेट कैसे बदलते हैं। एनटीएनयू नैनो और नॉर्वे की अनुसंधान परिषद द्वारा आंशिक रूप से वित्त पोषित यह शोध कार्य फिजिकल रिव्यू रिसर्च नामक पत्रिका में प्रकाशित हुआ।

छोटे चुंबक

प्रयोगों में प्रयुक्त छोटे वर्गाकार चुम्बकों का आविष्कार आइनार स्टैंडल डिगर्नस ने किया था।

एनटीएनयू के पीएचडी उम्मीदवार आइनार स्टैंडल डिगर्नस द्वारा बनाए गए ये छोटे वर्गाकार चुंबक मात्र दो माइक्रोमीटर चौड़े हैं और चार त्रिकोणीय डोमेन में विभाजित हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक अलग चुंबकीय अभिविन्यास है जो चुंबक के चारों ओर दक्षिणावर्त या वामावर्त दिशा में इंगित करता है।

कुछ चुंबकीय पदार्थों में, परमाणुओं के छोटे समूह एक साथ मिलकर डोमेन नामक क्षेत्र बनाते हैं, जिसमें सभी इलेक्ट्रॉनों का चुंबकीय अभिविन्यास समान होता है।

एनटीएनयू मैग्नेट में, ये डोमेन एक केंद्रीय बिंदु - भंवर कोर - पर मिलते हैं, जहां चुंबकीय क्षण सीधे पदार्थ के तल के अंदर या बाहर की ओर इंगित करता है।

"जब हम चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं, तो इनमें से अधिकाधिक डोमेन एक ही दिशा में इंगित करने लगते हैं," फोल्विन कहते हैं। "वे बढ़ सकते हैं, सिकुड़ सकते हैं और फिर एक-दूसरे में विलीन हो सकते हैं।"

इलेक्ट्रॉन लगभग प्रकाश की गति से चलते हैं।

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

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

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

स्कैनिंग ट्रांसमिशन एक्स-रे माइक्रोस्कोप (एसटीएक्सएम) उन एक्स-रे का उपयोग करके पदार्थ की चुंबकीय संरचना का स्नैपशॉट तैयार करता है। इन स्नैपशॉट को आपस में जोड़कर शोधकर्ता एक तरह से एक वीडियो बना सकते हैं जो यह दर्शाता है कि समय के साथ माइक्रोमैग्नेट में कैसे परिवर्तन होता है।

एसटीएक्सएम की मदद से, फोल्वेन और उनके सहयोगियों ने एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने वाले करंट के एक स्पंदन से अपने माइक्रोमैग्नेट को विचलित किया, और देखा कि डोमेन का आकार बदल गया और भंवर कोर केंद्र से हट गया।

“आपके पास एक बहुत छोटा चुंबक होता है, फिर आप उसे छूते हैं और उसके वापस स्थिर होने पर उसकी छवि लेने की कोशिश करते हैं,” वे कहते हैं। बाद में, उन्होंने देखा कि कोर वापस मध्य में आ गया—लेकिन एक सीधी रेखा में नहीं, बल्कि घुमावदार रास्ते से।

"यह धीरे-धीरे वापस केंद्र की ओर लौट आएगा," फोल्विन कहते हैं।

एक छोटी सी गलती और सब खत्म।

ऐसा इसलिए है क्योंकि वे एपिटैक्सियल सामग्रियों का अध्ययन करते हैं, जो एक सब्सट्रेट के ऊपर बनाई जाती हैं जो शोधकर्ताओं को सामग्री के गुणों को बदलने की अनुमति देती हैं, लेकिन एक एसटीएक्सएम में एक्स-रे को अवरुद्ध कर देंगी।

एनटीएनयू नैनो लैब में काम करते हुए, शोधकर्ताओं ने अपने माइक्रोमैग्नेट को कार्बन की एक परत के नीचे दबाकर सब्सट्रेट की समस्या का समाधान किया ताकि इसके चुंबकीय गुणों की रक्षा की जा सके।

फिर उन्होंने गैलियम आयनों की केंद्रित किरण से सावधानीपूर्वक और सटीक रूप से नीचे की परत को तब तक हटाया जब तक कि केवल एक बहुत पतली परत शेष न रह गई। इस श्रमसाध्य प्रक्रिया में प्रति नमूना आठ घंटे लग सकते थे—और एक भी चूक विनाशकारी साबित हो सकती थी।

“सबसे अहम बात यह है कि अगर आप चुंबकत्व को खत्म कर देते हैं, तो हमें बर्लिन में बैठने से पहले इसका पता नहीं चलेगा,” वे कहते हैं। “ज़ाहिर है, इसका उपाय एक से ज़्यादा नमूने लाना है।”

बुनियादी भौतिकी से लेकर भविष्य के उपकरणों तक

सौभाग्य से यह कारगर साबित हुआ, और टीम ने अपने सावधानीपूर्वक तैयार किए गए नमूनों का उपयोग करके यह पता लगाया कि समय के साथ माइक्रोमैग्नेट के डोमेन कैसे बढ़ते और घटते हैं। उन्होंने यह बेहतर ढंग से समझने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन भी बनाए कि कौन से बल काम कर रहे थे।

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

चुंबकत्व का उपयोग डेटा संग्रहण के लिए पहले से ही किया जा रहा है, लेकिन शोधकर्ता वर्तमान में इसके और अधिक उपयोग के तरीकों की खोज कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, एक सूक्ष्म चुंबक के भंवर कोर और डोमेन के चुंबकीय अभिविन्यास का उपयोग 0 और 1 के रूप में जानकारी को एन्कोड करने के लिए किया जा सकता है।

अब शोधकर्ता इस कार्य को एंटी-फेरोमैग्नेटिक पदार्थों के साथ दोहराने का लक्ष्य बना रहे हैं, जहाँ व्यक्तिगत चुंबकीय क्षणों का कुल प्रभाव एक दूसरे को रद्द कर देता है। कंप्यूटिंग के संदर्भ में ये पदार्थ आशाजनक हैं—सैद्धांतिक रूप से, एंटी-फेरोमैग्नेटिक पदार्थों का उपयोग ऐसे उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है जिन्हें कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है और बिजली चले जाने पर भी स्थिर रहते हैं—लेकिन इनका अध्ययन करना कहीं अधिक जटिल है क्योंकि इनसे उत्पन्न होने वाले संकेत बहुत कमजोर होंगे।

इस चुनौती के बावजूद, फोलवेन आशावादी हैं। वे कहते हैं, "हमने नमूने बनाकर और एक्स-रे के माध्यम से उनका अवलोकन करके पहला कदम उठा लिया है। अगला चरण यह देखना होगा कि क्या हम पर्याप्त उच्च गुणवत्ता वाले नमूने बना सकते हैं ताकि एंटी-फेरोमैग्नेटिक पदार्थ से पर्याप्त संकेत प्राप्त कर सकें।"