बाहरी चुंबकीय क्षेत्र – एक सदी से भी अधिक समय से, चुंबकीय दुनिया के बारे में हमारी समझ को बड़े करीने से दो श्रेणियों में विभाजित किया गया था: लौहचुंबकत्व और प्रतिलौहचुंबकत्व। फेरोमैग्नेटिज्म, जो परिचित बल है जो एक स्मारिका चुंबक को रेफ्रिजरेटर के दरवाजे पर पिन करता है, उत्पन्न होता है क्योंकि कई छोटे, परमाणु-पैमाने के चुंबकीय क्षण समानांतर में संरेखित होते हैं, जिससे एक मजबूत, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बनता है। एंटीफेरोमैग्नेटिज्म, इसका अधिक मायावी समकक्ष, वैकल्पिक चुंबकीय क्षणों की सुविधा देता है जो एक दूसरे को रद्द कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप कोई शुद्ध बाहरी चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है।

इस सरल द्वंद्व ने अनगिनत तकनीकी प्रगति के लिए आधार प्रदान किया, जिसमें सबसे प्रसिद्ध हार्ड डिस्क ड्राइव भी शामिल है। हालाँकि, हाल के वर्षों में, शोधकर्ताओं ने चुंबकत्व के एक तीसरे और विशिष्ट रूप की पहचान की है जो इस दीर्घकालिक द्विआधारी वर्गीकरण से परे फैला हुआ है।

वैज्ञानिक इसे वैकल्पिक चुम्बकत्व कहते हैं। पहली बार 2019 के आसपास तैयार किया गया और 2024 में महत्वपूर्ण प्रयोगों द्वारा समर्थित, अल्टरमैग्नेटिज्म स्पिंट्रोनिक्स और क्वांटम प्रौद्योगिकियों में संभावित अनुप्रयोगों के लिए मजबूत रुचि आकर्षित कर रहा है। जटिल दुनिया आप अल्टरमैग्नेटिज्म को तीसरे प्रकार के चुंबकत्व के रूप में सोच सकते हैं जिसमें क्रिस्टल पैटर्न को घुमाने या दर्पण-फ़्लिप करने से जोड़े को रद्द करने वाली साइटों से मेल खाता है, जिससे कोई शुद्ध चुंबकीयकरण नहीं होता है – इस प्रकार इसके दो प्रसिद्ध चुंबकीय चचेरे भाइयों के बीच अंतर कम हो जाता है।

स्थूल स्तर पर, वैकल्पिक चुंबकीय पदार्थ एंटीफेरोमैग्नेट की तरह व्यवहार करते हैं। उनके पड़ोसी चुंबकीय क्षण प्रतिसमानांतर हैं (अर्थात यदि एक क्षण ‘ऊपर’ की ओर इशारा कर रहा है, तो उसका पड़ोसी ‘नीचे’ की ओर इशारा कर रहा है) – और वे इस तरह से व्यवस्थित हैं कि उनके व्यक्तिगत चुंबकीय क्षेत्र एक दूसरे को रद्द कर देते हैं।

नतीजतन, एक वैकल्पिक चुंबक, एक एंटीफेरोमैग्नेट की तरह, कोई बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पैदा नहीं करता है। यह गुण वैकल्पिक चुंबक को बाहरी चुंबकीय गड़बड़ी के प्रति कम संवेदनशील बनाता है और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में बारीकी से पैक किए गए घटकों के बीच हस्तक्षेप को रोकता है। शुद्ध चुंबकीय क्षण की यह अनुपस्थिति एक महत्वपूर्ण विशेषता है क्योंकि यह सघन और स्थिर प्रौद्योगिकियों की एक नई पीढ़ी को सक्षम कर सकती है।

फिर भी इस चुंबकीय रूप से शांत बाहरी हिस्से के नीचे आश्चर्यजनक जटिलता की दुनिया छिपी है। जबकि उनकी बाहरी चुंबकीय उपस्थिति समाप्त हो गई है, अल्टरमैग्नेट्स में एक आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक संरचना होती है जो फेरोमैग्नेट्स की याद दिलाती है। यह द्वंद्व उनकी क्षमता की आधारशिला है और जो उन्हें चुंबकीय क्रम के एक नए वर्ग के रूप में अलग करता है।

इस प्रतीत होने वाले विरोधाभासी व्यवहार का रहस्य सामग्री की क्रिस्टल संरचना और उसके इलेक्ट्रॉनों के स्पिन की परस्पर क्रिया में निहित है। एक इलेक्ट्रॉन का घूमना उसके आवेश की तरह ही एक आंतरिक क्वांटम गुण है।

चूँकि इलेक्ट्रॉन एक आवेशित कण है, यह आंतरिक स्पिन इसे एक छोटे चुंबक की तरह कार्य करने का कारण बनता है। चुंबकीय क्षण उस परिणामी चुंबकत्व के लिए शब्द है: यह इलेक्ट्रॉन के स्पिन द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र की ताकत और दिशा को निर्धारित करता है। पारंपरिक एंटीफेरोमैग्नेट्स में, विपरीत रूप से संरेखित स्पिन आमतौर पर व्युत्क्रम या अनुवाद जैसे सरल समरूपता संचालन से संबंधित होते हैं।

यह पैटर्न अक्सर इलेक्ट्रॉनों को कई दिशाओं में समान ऊर्जा रखने के लिए ‘स्पिन अप’ और ‘स्पिन डाउन’ करने के लिए मजबूर करता है। स्पिन अप, स्पिन डाउन वास्तव में, वैकल्पिक चुंबकत्व की नवीनता की वास्तव में सराहना करने के लिए, इन सामग्रियों के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था की कल्पना करना महत्वपूर्ण है।

एक क्रिस्टल की पूरी तरह से व्यवस्थित, त्रि-आयामी वॉलपेपर पैटर्न के रूप में कल्पना करें, जहां प्रत्येक दोहराव वाला तत्व एक परमाणु है। पारंपरिक एंटीफेरोमैग्नेट में, ऊपर की ओर इंगित करने वाले चुंबकीय क्षण (‘स्पिन अप’) वाले परमाणु और नीचे की ओर इंगित करने वाले क्षण (‘स्पिन डाउन’) वाले उसके पड़ोसी के बीच संबंध आम तौर पर सीधा होता है। एक को साधारण बदलाव द्वारा दूसरे में बदला जा सकता है, जिसे अनुवाद के रूप में जाना जाता है – जैसे कि वॉलपेपर रोल पर एक समान फूल से दूसरे फूल पर जाना।

हालाँकि, वैकल्पिक चुम्बकों में परमाणु व्यवस्था एक अलग नियम का पालन करती है। यहां, विपरीत चुंबकीय स्पिन वाले परमाणु अधिक जटिल समरूपता संचालन से जुड़े हुए हैं, जैसे कि जगह में घुमाया जाना या दर्पण विमान में प्रतिबिंबित होना। सरल शब्दों में, एक बदलाव के बजाय, एक मोड़ या मिरर-फ्लिप एक ‘स्पिन अप’ साइट को ‘स्पिन डाउन’ साइट पर मैप करेगा।

(यहां, ‘संचालन’ का मतलब केवल सरल चाल है जो आप क्रिस्टल पर कर सकते हैं, जैसे इसे स्थानांतरित करना, इसे चारों ओर मोड़ना, इसे दर्पण में पलटना या समय को उलटना, जो पैटर्न के एक हिस्से को दूसरे के साथ संरेखित करता है और निर्धारित करता है कि इलेक्ट्रॉनों को क्या करने की अनुमति है। ) यह व्यवस्था दो विरोधाभासी लक्ष्यों को प्राप्त करती है। सबसे पहले, यह समग्र चुंबकीय तटस्थता को संरक्षित करता है जो एंटीफेरोमैग्नेट की विशेषता है।

क्योंकि घूर्णन या प्रतिबिंब दोहराए जाने वाले क्रिस्टल पैटर्न का हिस्सा है, प्रत्येक ‘स्पिन अप’ चुंबकीय क्षण के लिए, एक मेल खाने वाला ‘स्पिन डाउन’ क्षण होता है। जब बाहर से देखा जाता है, तो ये विरोधी क्षण रद्द हो जाते हैं, इसलिए कोई शुद्ध बाहरी चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है।

दूसरी ओर, पैटर्न में वही “मोड़” सामग्री में घूमने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए एक असामान्य सेटिंग बनाता है। इसे समझने के लिए, किसी ठोस में इलेक्ट्रॉनों के लिए अनुमत ऊर्जा स्तरों को एक साधारण सीढ़ी के रूप में नहीं, बल्कि व्यापक ऊर्जा राजमार्गों के रूप में सोचें, जिन्हें इलेक्ट्रॉनिक बैंड के रूप में जाना जाता है।

कई सामग्रियों में, अप-स्पिन और डाउन-स्पिन इलेक्ट्रॉन एक ही प्रकार की कार की तरह होते हैं और समान लेन का उपयोग कर सकते हैं। अल्टरमैग्नेट में, क्रिस्टल नियम विशेष यातायात नियमों की तरह कार्य करते हैं। कुछ दिशाओं में जाने वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए, राजमार्ग थोड़ी अलग ऊंचाई पर दो लेन में विभाजित होता है: एक लेन मुख्य रूप से अप-स्पिन के लिए, दूसरा डाउन-स्पिन के लिए।

इस विभाजन को स्पिन-विभाजन कहा जाता है। इसका मतलब है कि एक स्पिन दूसरे की तुलना में थोड़ा अधिक आसानी से घूम सकता है – यह सुविधा लंबे समय से लौहचुंबकों से जुड़ी हुई है।

यह प्रभाव अल्टरमैग्नेट्स को स्पिन-ध्रुवीकृत धाराओं को ले जाने की सुविधा भी देता है, जहां अधिकांश गतिशील इलेक्ट्रॉन समान स्पिन साझा करते हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि क्रिस्टल के घुमाव या दर्पण-फ़्लिप बैंड को स्पिन द्वारा विभाजित होने देते हैं, भले ही समग्र चुंबक शून्य पर रद्द हो जाता है।

और भटके हुए चुंबकीय क्षेत्र बनाए बिना स्पिन को निर्देशित करने की क्षमता चुंबकत्व और स्पिंट्रोनिक्स में एक आकर्षक विचार है। करीबी मुलाकातें प्रयोगशाला में वैकल्पिक चुंबकत्व दिखाने की यात्रा के लिए नए उपकरणों की आवश्यकता थी। चूंकि अल्टरमैग्नेट बाहरी चुंबकीय क्षेत्र नहीं बनाते हैं, इसलिए पारंपरिक मैग्नेटोमीटर उन्हें देखने का सबसे अच्छा तरीका नहीं है।

इसके बजाय, वैज्ञानिकों ने ऐसे तरीकों का इस्तेमाल किया जो सीधे इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा और पैटर्न को देखते हैं। 2024 की शुरुआत में मैंगनीज टेलुराइड (एमएनटीई) के साथ एक महत्वपूर्ण कदम आया, जिसे एक बार मानक एंटीफेरोमैग्नेट के रूप में माना जाता था। एंगल-रिज़ॉल्व्ड फोटोएमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एआरपीईएस) का उपयोग करना – जो सतह पर प्रकाश चमकता है और बाहर निकलने वाले इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को मापता है – शोधकर्ताओं ने बैंड के अपेक्षित स्पिन-विभाजन को देखा।

इसने वैकल्पिक चुंबकत्व के अस्तित्व का समर्थन किया। एक्स-रे चुंबकीय द्वैतवाद के साथ आगे का काम, एक एक्स-रे विधि जो चुंबकीय दिशा के साथ बदलती है, छोटे चुंबकीय पैटर्न की छवि बनाती है और दिखाती है कि उन्हें जानबूझकर पतली फिल्मों में बनाया जा सकता है।

6 नवंबर को प्रकाशित अध्ययनों ने गोलाकार ध्रुवीकृत एक्स-रे का उपयोग करके अल्टरमैग्नेट की छिपी चुंबकीय संरचना की जांच करने के दो नए तरीके प्रस्तावित किए। ऐसी भविष्यवाणी की गई है कि तकनीकों से परमाणुओं के दो अलग-अलग समूहों को विपरीत स्पिन के साथ अलग किया जा सकेगा, जिससे वैज्ञानिकों को सीधे उनके व्यक्तिगत चुंबकीय क्षणों को मापने की अनुमति मिलेगी।

वैकल्पिक चुंबकत्व के निहितार्थ उत्साहवर्धक हैं। स्पिंट्रोनिक्स, जो जानकारी को संग्रहीत और संसाधित करने के लिए इलेक्ट्रॉन स्पिन के साथ-साथ चार्ज का उपयोग करता है, को सबसे पहले लाभ हो सकता है। आज के स्पिंट्रोनिक हिस्से अक्सर फेरोमैग्नेट का उपयोग करते हैं, जिनके भटके हुए क्षेत्र सीमित कर सकते हैं कि भागों को कितनी कसकर पैक किया जा सकता है।

शून्य शुद्ध चुम्बकत्व के साथ अल्टरमैग्नेट्स, ऐसी आवारा-क्षेत्र की समस्याओं को कम कर सकते हैं और उन डिज़ाइनों में मदद कर सकते हैं जिनका लक्ष्य छोटी, तेज़, अधिक ऊर्जा-कुशल मेमोरी और तर्क है। उनकी स्पिन बहुत तेजी से बदल सकती है – प्रति सेकंड खरबों बार तक – लेकिन वास्तविक डिवाइस स्पीडअप का प्रदर्शन अभी तक नहीं किया गया है। यह उच्च गति क्षमता चुंबकीय क्रम की प्रकृति से उत्पन्न होती है।

अल्टरमैग्नेट्स में, स्पिन डायनेमिक्स को एक्सचेंज इंटरैक्शन द्वारा नियंत्रित किया जाता है जो पिकोसेकंड या यहां तक ​​कि उप-पिकोसेकंड टाइमस्केल पर भी काम कर सकता है। यह आंतरिक गुण टेराहर्ट्ज़ (THz) रेंज में संभावित स्विचिंग गति की अनुमति देता है, जो सैद्धांतिक रूप से गीगाहर्ट्ज़ (GHz) गति से एक हजार गुना तेज है जो वर्तमान फेरोमैग्नेटिक घटकों के लिए विशिष्ट है।

व्यावहारिक उपकरणों में इसे हासिल करना एक दीर्घकालिक लक्ष्य है लेकिन यह उन मूलभूत प्रदर्शन लाभों पर प्रकाश डालता है जो वैकल्पिक चुंबकीय सामग्री पेश कर सकती हैं। विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव स्पिंट्रोनिक्स से परे, वैज्ञानिक क्वांटम कंप्यूटिंग के संभावित लिंक भी तलाश रहे हैं। वैकल्पिक चुम्बकों में आवारा चुंबकीय क्षेत्रों की अनुपस्थिति परीक्षण उपकरणों में कुछ प्रकार के चुंबकीय शोर को कम कर सकती है।

वैज्ञानिक अभी भी यह पता लगा रहे हैं कि वे सुपरकंडक्टर्स के साथ कैसे काम करते हैं। इसके अलावा, यह खोज कि वैकल्पिक चुंबकत्व सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला में दिखाई दे सकता है – जिसमें इन्सुलेटर, अर्धचालक और धातु शामिल हैं – सामग्री डिजाइन के लिए कई विकल्प खोलता है।

कुछ प्रारंभिक अध्ययन कार्बनिक क्रिस्टल पर भी गौर करते हैं, लेकिन यह कार्य क्षेत्र अभी भी खोजपूर्ण है। वैकल्पिक चुंबकत्व के पीछे सैद्धांतिक रूपरेखा सरल है: यदि आप समय को पीछे की ओर चलाने की कल्पना करते हैं, तो चुंबक आमतौर पर एक जैसे नहीं दिखते हैं।

यह लौह चुम्बक और प्रति लौह चुम्बक दोनों के लिए सत्य है। फिर भी, कई एंटीफेरोमैग्नेट क्रिस्टल पैटर्न के साथ एक युग्मन नियम रखते हैं जो अभी भी कई दिशाओं में मिलान करने के लिए ‘स्पिन अप’ और ‘स्पिन अप’ को मजबूर करता है। अल्टरमैग्नेट समग्र चुम्बकत्व को शून्य रखते हुए उस मिलान को तोड़ देते हैं।

कुछ अल्टरमैग्नेट्स में, जब करंट प्रवाहित होता है तो क्रिस्टल नियम पार्श्व वोल्टेज की भी अनुमति देते हैं; इसे विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव के रूप में जाना जाता है। और विसंगतिपूर्ण हॉल प्रभाव का महत्व यह है कि यह सामग्री की चुंबकीय स्थिति को ‘पढ़ने’ के लिए एक सीधी विद्युत विधि प्रदान करता है।

पारंपरिक एंटीफेरोमैग्नेट में आमतौर पर इस प्रभाव की कमी होती है, जिससे साधारण इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ उनकी स्थिति का पता लगाना मुश्किल हो जाता है। यह संपत्ति अल्टरमैग्नेट को संभावित डिवाइस एकीकरण के लिए एक उल्लेखनीय लाभ देती है।

अंततः, कंप्यूटर खोजों ने कई संभावित वैकल्पिक चुंबकीय सामग्रियों का सुझाव दिया है, जिससे वैज्ञानिकों को प्रयोगों में परीक्षण करने के लिए एक लंबी सूची मिल गई है। अच्छे संकेत वैकल्पिक चुम्बकत्व की खोज अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है और कई चुनौतियाँ बनी हुई हैं।

उच्च-गुणवत्ता, एकल-डोमेन वैकल्पिक चुंबकीय सामग्रियों का संश्लेषण एक महत्वपूर्ण बाधा है जिसे उनके व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए दूर करने की आवश्यकता है। मैंगनीज टेलुराइड के अलावा, एक अन्य व्यापक रूप से अध्ययन की गई सामग्री रूथेनियम डाइऑक्साइड (आरयूओ 2) है, जो कुछ वैकल्पिक चुंबकीय प्रभावों को प्रदर्शित करने में भी केंद्रीय रही है।

एक महत्वपूर्ण व्यावहारिक मुद्दा यह है कि ये सामग्रियां अक्सर कई छोटे चुंबकीय क्षेत्रों या डोमेन के साथ बनती हैं, जहां वैकल्पिक स्पिन पैटर्न अलग तरह से उन्मुख होता है। किसी उपकरण को विश्वसनीय रूप से कार्य करने के लिए, आमतौर पर एक एकल, सुव्यवस्थित डोमेन की आवश्यकता होती है।

इसलिए ऐसी डोमेन सीमाओं को खत्म करने के लिए इन सामग्रियों के विकास को नियंत्रित करना सीखना वर्तमान शोध का केंद्रीय फोकस है। उन्हें व्यावसायिक उपकरणों में एकीकृत करने के लिए स्केलेबल और लागत प्रभावी निर्माण तकनीकों का विकास करना भी आवश्यक होगा। हालाँकि, खोज की तीव्र गति और वैज्ञानिक समुदाय की गहन रुचि अच्छे संकेत हैं कि लगातार काम करने से इन समस्याओं से निपटा जा सकता है।

कुल मिलाकर, वैकल्पिक चुंबकत्व की खोज भौतिकविदों की चुंबकीय दुनिया की समझ में एक कदम आगे का प्रतिनिधित्व करती है। यह लौहचुंबकत्व और प्रतिलौहचुंबकत्व में एक नया विकल्प जोड़ता है, गुणों के विशिष्ट संयोजन के साथ एक अच्छी तरह से परिभाषित चुंबकीय चरण पेश करता है।

क्योंकि वे शून्य नेट मैग्नेटाइजेशन रखते हैं फिर भी बैंड में स्पिन को विभाजित करते हैं, अल्टरमैग्नेट तेज, छोटी और अधिक ऊर्जा-कुशल प्रौद्योगिकियों को जन्म दे सकते हैं। मुकुंठ.

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