बाह्य चुंबकीय क्षेत्र – एका शतकाहून अधिक काळ, चुंबकीय जगाविषयीची आपली समज सुबकपणे दोन श्रेणींमध्ये विभागली गेली आहे: फेरोमॅग्नेटिझम आणि अँटीफेरोमॅग्नेटिझम. फेरोमॅग्नेटिझम, जी एक परिचित शक्ती आहे जी रेफ्रिजरेटरच्या दारावर स्मरणिका चुंबक पिन करते, उद्भवते कारण अनेक लहान, अणू-स्केल चुंबकीय क्षण समांतर संरेखित केले जातात, एक मजबूत, बाह्य चुंबकीय क्षेत्र तयार करतात. अँटीफेरोमॅग्नेटिझम, त्याचा अधिक मायावी प्रतिरूप, पर्यायी चुंबकीय क्षण दर्शवितो जे एकमेकांना रद्द करतात, परिणामी निव्वळ बाह्य चुंबकीय क्षेत्र नसते.

या साध्या द्विभाजनाने अगणित तांत्रिक प्रगतीचा पाया प्रदान केला, ज्यात सर्वात प्रसिद्ध हार्ड डिस्क ड्राइव्हचा समावेश आहे. तथापि, अलिकडच्या वर्षांत, संशोधकांनी चुंबकत्वाचा एक तिसरा आणि वेगळा प्रकार ओळखला आहे जो या दीर्घकालीन बायनरी वर्गीकरणाच्या पलीकडे विस्तारित आहे.

शास्त्रज्ञ त्याला अल्टरमॅग्नेटिझम म्हणतात. 2019 च्या आसपास प्रथम तयार केलेले आणि 2024 मधील महत्त्वपूर्ण प्रयोगांद्वारे समर्थित, अल्टरमॅग्नेटिझम स्पिंट्रॉनिक्स आणि क्वांटम तंत्रज्ञानातील संभाव्य अनुप्रयोगांसाठी जोरदार स्वारस्य निर्माण करत आहे. गुंतागुंतीचे जग तुम्ही अल्टरमॅग्नेटिझमचा तिसरा प्रकारचा चुंबकत्व म्हणून विचार करू शकता ज्यामध्ये क्रिस्टल पॅटर्न फिरवणे किंवा मिरर-फ्लिप करणे रद्द करणाऱ्या जोड्यांमधील साइटशी जुळते, निव्वळ चुंबकीकरण होत नाही — अशा प्रकारे त्याच्या दोन सुप्रसिद्ध चुंबकीय चुलतभावांमधील अंतर कमी होते.

मॅक्रोस्कोपिक स्तरावर, अल्टरमॅग्नेटिक पदार्थ अँटीफेरोमॅग्नेट्ससारखे वागतात. त्यांचे शेजारी चुंबकीय क्षण समांतर असतात (म्हणजे एखादा क्षण ‘वर’ दर्शवत असेल तर त्याचा शेजारी ‘खाली’ दर्शवत असेल) — आणि त्यांची वैयक्तिक चुंबकीय क्षेत्रे एकमेकांना रद्द करतात अशा प्रकारे व्यवस्था केली जातात.

परिणामी, अल्टरमॅग्नेट, अँटीफेरोमॅग्नेटसारखे, कोणतेही बाह्य चुंबकीय क्षेत्र तयार करत नाही. हे गुणधर्म अल्टरमॅग्नेटला बाह्य चुंबकीय व्यत्ययास कमी संवेदनाक्षम बनवते आणि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये जवळून पॅक केलेल्या घटकांमधील हस्तक्षेप प्रतिबंधित करते. निव्वळ चुंबकीय क्षणाची अनुपस्थिती हे एक महत्त्वपूर्ण वैशिष्ट्य आहे कारण ते दाट आणि स्थिर तंत्रज्ञानाची नवीन पिढी सक्षम करू शकते.

तरीही या चुंबकीय शांत बाह्या खाली आश्चर्यकारक गुंतागुंतीचे जग आहे. त्यांची बाह्य चुंबकीय उपस्थिती नाकारली जात असताना, अल्टरमॅग्नेट्समध्ये फेरोमॅग्नेट्सची आठवण करून देणारी अंतर्गत इलेक्ट्रॉनिक रचना असते. हे द्वैत त्यांच्या क्षमतेचा आधारशिला आहे आणि ते चुंबकीय क्रमाचा एक नवीन वर्ग म्हणून वेगळे करते.

या वरवर विरोधाभासी वर्तनाचे रहस्य सामग्रीच्या क्रिस्टल स्ट्रक्चर आणि त्याच्या इलेक्ट्रॉनच्या स्पिनमध्ये आहे. इलेक्ट्रॉनची स्पिन ही त्याच्या चार्जप्रमाणेच एक आंतरिक क्वांटम गुणधर्म आहे.

इलेक्ट्रॉन हा चार्ज केलेला कण असल्यामुळे, या आंतरिक स्पिनमुळे तो एका लहान चुंबकाप्रमाणे कार्य करतो. चुंबकीय क्षण हा त्या परिणामी चुंबकत्वाचा शब्द आहे: तो इलेक्ट्रॉनच्या फिरकीमुळे निर्माण होणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्राची ताकद आणि दिशा मोजतो. पारंपारिक अँटीफेरोमॅग्नेट्समध्ये, उलट संरेखित स्पिन सामान्यत: उलथापालथ किंवा अनुवादासारख्या साध्या सममिती क्रियांद्वारे संबंधित असतात.

हा पॅटर्न बऱ्याचदा ‘स्पिन अप’ आणि ‘स्पिन डाउन’ इलेक्ट्रॉन्सना अनेक दिशांमध्ये समान ऊर्जा ठेवण्यास भाग पाडतो. स्पिन अप, स्पिन डाउन खरं तर, अल्टरमॅग्नेटिझमच्या नवीनतेची खरोखर प्रशंसा करण्यासाठी, या पदार्थांमधील अणूंच्या व्यवस्थेची कल्पना करणे महत्त्वाचे आहे.

स्फटिकाची एक उत्तम प्रकारे क्रमबद्ध, त्रिमितीय वॉलपेपर नमुना म्हणून कल्पना करा, जिथे प्रत्येक पुनरावृत्ती होणारा घटक एक अणू आहे. पारंपारिक अँटीफेरोमॅग्नेट्समध्ये, ऊर्ध्वगामी-पॉइंटिंग चुंबकीय क्षण (‘स्पिन अप’) असलेला अणू आणि त्याच्या शेजारी खाली-पॉइंटिंग मोमेंट (‘स्पिन डाउन’) यांच्यातील संबंध सामान्यतः सरळ असतो. एका सोप्या शिफ्टद्वारे दुसऱ्यामध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकते, ज्याला भाषांतर म्हणून ओळखले जाते — जसे की वॉलपेपर रोलवर एका समान फुलावरून दुसऱ्यावर जाणे.

तथापि, अल्टरमॅग्नेट्समधील अणू व्यवस्था वेगळ्या नियमाचे पालन करते. येथे, विरोधी चुंबकीय स्पिन असलेले अणू अधिक जटिल सममिती क्रियांद्वारे जोडलेले आहेत, जसे की जागेवर फिरवले जाणे किंवा आरशाच्या समतलातून परावर्तित होणे. सोप्या भाषेत, शिफ्टऐवजी, वळण किंवा मिरर-फ्लिप ‘स्पिन अप’ साइटला ‘स्पिन डाउन’ साइटवर मॅप करेल.

(येथे, ‘ऑपरेशन्स’ म्हणजे स्फटिकावर तुम्ही करू शकता अशा सोप्या हालचाली, जसे की ते हलवणे, ते फिरवणे, आरशात फ्लिप करणे किंवा वेळेत उलटणे, ते पॅटर्नचा एक भाग दुसऱ्या भागाशी जोडणे आणि इलेक्ट्रॉनला काय करण्याची परवानगी आहे हे निर्धारित करणे.) या व्यवस्थेमुळे दोन परस्परविरोधी उद्दिष्टे साध्य होतात. प्रथम, ते अँटीफेरोमॅग्नेट्सचे वैशिष्ट्य असलेल्या एकूणच चुंबकीय तटस्थतेचे रक्षण करते.

कारण रोटेशन किंवा परावर्तन हा पुनरावृत्ती होणाऱ्या क्रिस्टल पॅटर्नचा भाग आहे, प्रत्येक ‘स्पिन अप’ चुंबकीय क्षणासाठी, एक जुळणारा ‘स्पिन डाउन’ क्षण असतो. बाहेरून पाहिल्यावर, हे विरोधी क्षण रद्द होतात, त्यामुळे कोणतेही निव्वळ बाह्य चुंबकीय क्षेत्र नसते.

दुसरीकडे, पॅटर्नमधील समान “ट्विस्ट” सामग्रीमध्ये हलणाऱ्या इलेक्ट्रॉनसाठी एक असामान्य सेटिंग तयार करते. हे समजून घेण्यासाठी, एका साध्या शिडीच्या रूपात नव्हे, तर इलेक्ट्रॉनिक बँड म्हणून ओळखले जाणारे ब्रॉड एनर्जी हायवे म्हणून सॉलिडमधील इलेक्ट्रॉनसाठी अनुमत ऊर्जा पातळींचा विचार करा.

बऱ्याच सामग्रीमध्ये, अप-स्पिन आणि डाउन-स्पिन इलेक्ट्रॉन एकाच प्रकारच्या कारसारखे असतात आणि ते समान लेन वापरू शकतात. अल्टरमॅग्नेटमध्ये, क्रिस्टल नियम विशेष वाहतूक नियमांप्रमाणे कार्य करतात. इलेक्ट्रॉन्स काही दिशेने फिरत असताना, महामार्ग थोड्या वेगळ्या उंचीवर दोन लेनमध्ये विभाजित होतो: एक लेन प्रामुख्याने अप-स्पिनसाठी, दुसरी डाउन-स्पिनसाठी.

या विभाजनाला स्पिन-स्प्लिटिंग म्हणतात. याचा अर्थ एक स्पिन दुसऱ्या पेक्षा किंचित सहज हलवू शकतो — एक वैशिष्ट्य जे लांबलचक फेरोमॅग्नेट्सशी संबंधित आहे.

हा प्रभाव अल्टरमॅग्नेट्सना स्पिन-ध्रुवीकृत प्रवाह वाहून नेऊ देतो, जेथे बहुतेक हलणारे इलेक्ट्रॉन समान स्पिन सामायिक करतात. महत्त्वाचा मुद्दा असा आहे की क्रिस्टलचे वळण किंवा मिरर-फ्लिप्स एकंदर चुंबक शून्यावर रद्द करत असले तरीही बँड्स स्पिनने विभाजित होऊ देतात.

आणि भटके चुंबकीय क्षेत्र न बनवता फिरकीला मार्गदर्शन करण्याची क्षमता ही चुंबकत्व आणि स्पिन्ट्रॉनिक्समधील आकर्षक कल्पना आहे. क्लोज एन्काउंटर्स प्रयोगशाळेत अल्टरमॅग्नेटिझम दाखवण्याच्या प्रवासाला नवीन साधनांची गरज होती. अल्टरमॅग्नेट्स बाह्य चुंबकीय क्षेत्र बनवत नसल्यामुळे, पारंपारिक मॅग्नेटोमीटर त्यांना पाहण्याचा सर्वोत्तम मार्ग नाही.

त्याऐवजी, शास्त्रज्ञांनी अशा पद्धती वापरल्या ज्या थेट इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा आणि नमुने पाहतात. एक महत्त्वाची पायरी २०२४ च्या सुरुवातीस मँगनीज टेल्युराइड (MnTe) सह आली, ज्याला एकेकाळी मानक अँटीफेरोमॅग्नेट म्हणून मानले गेले. अँगल-रिझोल्व्ह्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एआरपीईएस) वापरणे – जे पृष्ठभागावर प्रकाश टाकते आणि बाहेर पडणाऱ्या इलेक्ट्रॉनच्या उर्जेचे मोजमाप करते – संशोधकांनी बँडचे अपेक्षित स्पिन-स्प्लिटिंग पाहिले.

हे अल्टरमॅग्नेटिझमच्या अस्तित्वाचे समर्थन करते. क्ष-किरण चुंबकीय डायक्रोइझमसह पुढील कार्य, चुंबकीय दिशा बदलणारी क्ष-किरण पद्धत, लहान चुंबकीय नमुन्यांची प्रतिमा तयार केली आणि ते हेतुपुरस्सर पातळ फिल्म्समध्ये तयार केले जाऊ शकतात हे दाखवले.

6 नोव्हेंबर रोजी प्रकाशित झालेल्या अभ्यासांमध्ये गोलाकार ध्रुवीकृत क्ष-किरणांचा वापर करून अल्टरमॅग्नेट्सच्या छुप्या चुंबकीय संरचनेची तपासणी करण्याचे दोन नवीन मार्ग प्रस्तावित केले आहेत. शास्त्रज्ञांना त्यांच्या वैयक्तिक चुंबकीय क्षणांचे थेट मोजमाप करण्यास अनुमती देऊन, विरोधी स्पिनसह अणूंच्या दोन भिन्न गटांमध्ये फरक करण्यासाठी तंत्रांचा अंदाज आहे.

अल्टरमॅग्नेटिझमचे परिणाम उत्साहवर्धक आहेत. माहिती साठवण्यासाठी आणि प्रक्रिया करण्यासाठी इलेक्ट्रॉन स्पिन तसेच चार्ज वापरणाऱ्या स्पिंट्रॉनिक्सचा प्रथम फायदा होऊ शकतो. आजचे स्पिंट्रॉनिक भाग अनेकदा फेरोमॅग्नेट्स वापरतात, ज्यांचे भटके क्षेत्र भाग किती घट्ट बांधले जाऊ शकतात हे मर्यादित करू शकतात.

शून्य निव्वळ चुंबकीकरणासह अल्टरमॅग्नेट्स, अशा भटक्या-क्षेत्रातील समस्या कमी करू शकतात आणि लहान, जलद, अधिक ऊर्जा-कार्यक्षम मेमरी आणि तर्कशास्त्रासाठी उद्दिष्ट असलेल्या डिझाइनला मदत करू शकतात. त्यांचे स्पिन अतिशय जलद बदलू शकतात — प्रति सेकंद ट्रिलियन वेळा — परंतु वास्तविक डिव्हाइस स्पीडअप्स अद्याप प्रदर्शित करणे बाकी आहे. हे उच्च-गती संभाव्य चुंबकीय क्रमाच्या स्वरूपामुळे उद्भवते.

अल्टरमॅग्नेट्समध्ये, स्पिन डायनॅमिक्स एक्सचेंज परस्परसंवादांद्वारे नियंत्रित केले जातात जे पिकोसेकंद किंवा अगदी उप-पिकसेकंद टाइमस्केलवर कार्य करू शकतात. ही आंतरिक गुणधर्म टेराहर्ट्झ (THz) श्रेणीमध्ये संभाव्य स्विचिंग गतींना अनुमती देते, जी सध्याच्या फेरोमॅग्नेटिक घटकांसाठी वैशिष्ट्यपूर्ण असलेल्या गीगाहर्ट्झ (GHz) गतीपेक्षा सैद्धांतिकदृष्ट्या हजारपट वेगवान आहे.

व्यावहारिक उपकरणांमध्ये हे साध्य करणे हे दीर्घकालीन उद्दिष्ट आहे परंतु ते अल्टरमॅग्नेटिक सामग्री देऊ शकतील अशा मूलभूत कामगिरीचे फायदे हायलाइट करते. विसंगत हॉल इफेक्ट स्पिंट्रॉनिक्सच्या पलीकडे, शास्त्रज्ञ क्वांटम कॉम्प्युटिंगच्या संभाव्य दुव्यांचा देखील शोध घेत आहेत. अल्टरमॅग्नेट्समध्ये भटक्या चुंबकीय क्षेत्रांची अनुपस्थिती चाचणी उपकरणांमध्ये काही प्रकारचे चुंबकीय आवाज कमी करू शकते.

शास्त्रज्ञ अजूनही हे शोधत आहेत की ते सुपरकंडक्टर्सच्या बरोबरीने कसे कार्य करतात यापुढे, अल्टरमॅग्नेटिझम विविध प्रकारच्या सामग्रीमध्ये दर्शवू शकतो – इन्सुलेटर, सेमीकंडक्टर आणि धातूंसह – या शोधामुळे मटेरियल डिझाइनसाठी अनेक पर्याय उघडले जातात.

काही सुरुवातीच्या अभ्यासात सेंद्रिय क्रिस्टल्स देखील दिसतात, परंतु कार्याची ही ओळ अजूनही शोधात्मक आहे. अल्टरमॅग्नेटिझममागील सैद्धांतिक आराखडा सोपा आहे: जर तुम्ही वेळ मागे जाण्याची कल्पना करत असाल, तर चुंबक सहसा सारखे दिसत नाहीत.

हे फेरोमॅग्नेट्स आणि अँटीफेरोमॅग्नेट्स दोन्हीसाठी खरे आहे. तरीही, अनेक अँटीफेरोमॅग्नेट्स क्रिस्टल पॅटर्नसह जोडणीचा नियम ठेवतात जे अजूनही ‘स्पिन अप’ आणि ‘स्पिन अप’ ला अनेक दिशांना जुळण्यासाठी सक्ती करतात. एकूणच चुंबकीकरण शून्य ठेवताना अल्टरमॅग्नेट्स त्या जुळणीचा भंग करतात.

काही अल्टरमॅग्नेट्समध्ये, स्फटिक नियम त्यामधून विद्युत प्रवाह वाहताना कडेकडेला व्होल्टेजला परवानगी देतात; याला विसंगत हॉल इफेक्ट म्हणून ओळखले जाते. आणि विसंगत हॉल इफेक्टचे महत्त्व हे आहे की ते सामग्रीची चुंबकीय स्थिती ‘वाचण्यासाठी’ एक सरळ विद्युत पद्धत प्रदान करते.

पारंपारिक अँटीफेरोमॅग्नेट्समध्ये सामान्यत: हा प्रभाव नसतो, ज्यामुळे त्यांची अवस्था साध्या इलेक्ट्रॉनिक्सद्वारे शोधणे कठीण होते. हे गुणधर्म altermagnets ला संभाव्य डिव्हाइस एकत्रीकरणासाठी एक उल्लेखनीय फायदा देते.

शेवटी, संगणक शोधांनी अनेक संभाव्य अल्टरमॅग्नेटिक साहित्य सुचवले आहे, शास्त्रज्ञांना प्रयोगांमध्ये चाचणी करण्यासाठी एक लांबलचक यादी दिली आहे. चांगली चिन्हे अल्टरमॅग्नेटिझमचा शोध अजूनही बाल्यावस्थेत आहे आणि अनेक आव्हाने शिल्लक आहेत.

उच्च-गुणवत्तेचे, सिंगल-डोमेन अल्टरमॅग्नेटिक सामग्रीचे संश्लेषण हा एक महत्त्वपूर्ण अडथळा आहे ज्यावर त्यांच्या व्यावहारिक वापरासाठी मात करणे आवश्यक आहे. मँगनीज टेल्युराइड व्यतिरिक्त, रुथेनियम डायऑक्साइड (RuO 2) ही आणखी एक व्यापकपणे अभ्यासली जाणारी सामग्री आहे, जी विशिष्ट अल्टरमॅग्नेटिक प्रभाव प्रदर्शित करण्यात मध्यवर्ती आहे.

एक महत्त्वाची व्यावहारिक समस्या अशी आहे की ही सामग्री बऱ्याचदा अनेक लहान चुंबकीय क्षेत्रांसह किंवा डोमेनसह तयार होते, जिथे पर्यायी स्पिन पॅटर्न वेगळ्या पद्धतीने निर्देशित केला जातो. डिव्हाइस विश्वसनीयरित्या कार्य करण्यासाठी, त्याला सामान्यत: एकल, सुव्यवस्थित डोमेनची आवश्यकता असते.

अशा डोमेन सीमा दूर करण्यासाठी या सामग्रीच्या वाढीवर नियंत्रण कसे ठेवायचे हे शिकणे हे सध्याच्या संशोधनाचे केंद्रबिंदू आहे. स्केलेबल आणि किफायतशीर फॅब्रिकेशन तंत्र विकसित करणे देखील त्यांना व्यावसायिक उपकरणांमध्ये समाकलित करण्यासाठी आवश्यक असेल. तथापि, शोधाचा वेगवान वेग आणि वैज्ञानिक समुदायाची तीव्र स्वारस्य ही चांगली चिन्हे आहेत की स्थिर कार्य या समस्यांना तोंड देऊ शकते.

एकत्रितपणे, अल्टरमॅग्नेटिझमचा शोध भौतिकशास्त्रज्ञांच्या चुंबकीय जगाच्या आकलनात एक पाऊल पुढे आहे. हे फेरोमॅग्नेटिझम आणि अँटीफेरोमॅग्नेटिझमला एक नवीन पर्याय जोडते, गुणधर्मांच्या विशिष्ट संयोजनासह सु-परिभाषित चुंबकीय अवस्था सादर करते.

कारण ते शून्य निव्वळ चुंबकीकरण ठेवतात तरीही बँडमध्ये स्प्लिट स्पिन असतात, अल्टरमॅग्नेट्स जलद, लहान आणि अधिक ऊर्जा-कार्यक्षम तंत्रज्ञानाकडे नेऊ शकतात. मुकुंठ

v@thehindu. सह मध्ये