एक नए तरह का चुंबक कमरे के तापमान पर काम करता है
इलेक्ट्रॉन आवेश के साथ-साथ एक स्पिन भी रखते हैं, एक नन्हा अंतर्निहित चुंबक जो “ऊपर” या “नीचे” की ओर इशारा करता है। स्पिन्ट्रॉनिक्स (spintronics) का लक्ष्य उस स्पिन का उपयोग जानकारी सहेजने और संसाधित करने के लिए करना है। हाल के वर्षों में भौतिकविदों ने एक चौंकाने वाले गुण वाले चुंबकीय पदार्थ पाए हैं: उनमें कोई कुल चुंबकन नहीं होता, फिर भी उनके इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा उनके स्पिन पर निर्भर करती है, और यह निर्भरता उनकी गति की दिशा के साथ बदलती है। यह “स्पिन-विभाजन” आपेक्षिकीय प्रभावों पर निर्भर नहीं करता, इसलिए यह बड़ा होता है।
इनमें से कुछ पदार्थों में, जिन्हें ऑल्टरमैग्नेट (altermagnets) कहते हैं, पैटर्न सममित होता है: एक दिशा में चलता इलेक्ट्रॉन और उलटी दिशा में चलता इलेक्ट्रॉन एक ही स्पिन देखते हैं। p-वेव चुंबकों में उलटा होता है: गति की दिशा पलटिए और स्पिन भी पलट जाता है। अब तक बताए गए p-वेव चुंबक केवल तरल नाइट्रोजन के तापमान से नीचे काम करते थे।
एक जाने-पहचाने क्रिस्टल में छिपा सर्पिल
शंघाई के फ़ुदान विश्वविद्यालय, ड्रेसडेन के दो मैक्स प्लांक संस्थानों, और चीन व चेक गणराज्य की अन्य संस्थाओं के काइवेन शेन, शियानझे चेन, लिबोर श्मेइकाल और सहयोगियों ने बिस्मथ फ़ेराइट (BiFeO₃) की ओर रुख़ किया। यह सबसे अच्छी तरह अध्ययन किए गए “मल्टीफ़ेरोइक्स” में से एक है — ऐसे पदार्थ जो चुंबकीय भी हैं और फ़ेरोइलेक्ट्रिक भी, यानी उनमें एक अंतर्निहित विद्युत ध्रुवण होता है। यह लगभग 640 केल्विन (कमरे के तापमान से काफ़ी ऊपर) तक चुंबकीय रूप से व्यवस्थित रहता है और 1,100 केल्विन तक फ़ेरोइलेक्ट्रिक।
इसके भीतर लोहे के परमाणुओं के चुंबकीय आघूर्ण एक सीध में नहीं होते: वे एक सर्पिल के साथ क़दम-दर-क़दम घूमते हैं, जिसे साइक्लॉइड (cycloid) कहते हैं। टीम दिखाती है कि यह सर्पिल अपने-आप में p-वेव चुंबकत्व पैदा करता है — एक ऐसा तंत्र जिसके बारे में वे कहते हैं कि अब तक इसकी अनदेखी हुई थी।
पहले सिद्धांत, फिर लेज़र
- क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉनों की गणनाएँ एक साफ़ p-वेव स्पिन पैटर्न दिखाती हैं, जिसमें स्पिन-विभाजन लगभग 100 मिलीइलेक्ट्रॉनवोल्ट है। आपेक्षिकीय प्रभाव जोड़ने से यह मुश्किल से बदलता है: यह प्रभाव ख़ुद चुंबकीय क्रम से आता है।
- जब सर्पिल दूसरी ओर घूमता है — दक्षिणावर्ती की जगह वामावर्ती — तो स्पिन पैटर्न उलट जाता है।
- प्रयोगशाला में उन्होंने बिस्मथ फ़ेराइट की 100 नैनोमीटर की फ़िल्म उगाई और हीरे की नोक वाले एक क्वांटम सेंसर से उसके चुंबकीय सर्पिल की छवि ली।
- स्पिन पढ़ने के लिए उन्होंने फ़िल्म पर एक वृत्तीय ध्रुवित लेज़र डाला। एक दिशा में घूमने वाला प्रकाश एक स्पिन के इलेक्ट्रॉनों को दूसरे से ज़्यादा उत्तेजित करता है, जिससे एक छोटी विद्युत धारा बनती है जिसका चिह्न स्पिन की दिशा का अनुसरण करता है। जैसे-जैसे उन्होंने नमूने को घुमाया, धारा ठीक उसी दिशा में शिखर पर पहुँची जिसका पूर्वानुमान p-वेव स्पिन ध्रुवण के लिए किया गया था। ये सभी माप कमरे के तापमान पर, खुली हवा में किए गए।
वोल्टेज से स्पिन पलटना
मुख्य विशेषता: बिस्मथ फ़ेराइट में सर्पिल की हस्तता विद्युत ध्रुवण से बँधी होती है। एक को उलटिए, दूसरा पीछे-पीछे आता है।
टीम ने फ़िल्म पर लगभग 300 किलोवोल्ट प्रति सेंटीमीटर की विद्युत पल्सें लगाईं। ध्रुवण घूमा, सर्पिल की हस्तता बदली, और लेज़र से उत्पन्न धारा का चिह्न बदल गया: एक पल्स के बाद धनात्मक, उलटी पल्स के बाद ऋणात्मक। लगाए गए क्षेत्र के सापेक्ष आलेखित करने पर धारा ने एक हिस्टेरिसिस लूप बनाया जो क्रिस्टल के ध्रुवण के पलटने से मेल खाता था। यह बदलाव उत्क्रमणीय है और पल्स के बाद भी बना रहता है।
विद्युत पल्सें ध्रुवण और सर्पिल की हस्तता पलट देती हैं (a); उपकरण (b); स्पिन धारा का चिह्न उलट जाता है (c) और विद्युत क्षेत्र के सापेक्ष एक हिस्टेरिसिस लूप का अनुसरण करती है (d)। — चित्र 3, Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.
ठंड से मेज़ तक
लेखक इसे विषम-समता (odd-parity) स्पिन-विभाजन वाले एक ऐसे चुंबक के रूप में प्रस्तुत करते हैं जो कमरे के तापमान पर वोल्टेज से नियंत्रित होता है, और इसे कम ऊर्जा खपत वाले स्पिन्ट्रॉनिक उपकरणों की ओर एक रास्ता मानते हैं। नतीजे प्रयोगशाला की पतली फ़िल्मों से आए हैं; मापे गए संकेत के पलटने के अलावा अभी कोई उपकरण प्रदर्शित नहीं किया गया है।