एक नव्या प्रकारचा चुंबक खोलीच्या तापमानाला काम करतो

इलेक्ट्रॉनवर प्रभार असतो, पण त्याचबरोबर स्पिनही असतो, एक अंगभूत सूक्ष्म चुंबक, जो “वर” किंवा “खाली” रोखलेला असतो. स्पिनट्रॉनिक्स माहिती साठवण्यासाठी आणि प्रक्रिया करण्यासाठी त्या स्पिनचा वापर करू पाहते. अलीकडच्या वर्षांत भौतिकशास्त्रज्ञांना एक लक्षवेधी गुणधर्म असलेले चुंबकीय पदार्थ सापडले आहेत: त्यांना एकूण चुंबकीकरण नसते, तरीही त्यांच्या इलेक्ट्रॉनची ऊर्जा त्यांच्या स्पिनवर अवलंबून असते, आणि ते ज्या दिशेने जातात त्यानुसार ती बदलते. हे “स्पिन-विभाजन” सापेक्षतावादी परिणामांवर अवलंबून नसते, त्यामुळे ते मोठे असते.

यांपैकी काही पदार्थांमध्ये, ज्यांना आल्टरमॅग्नेट (altermagnets) म्हणतात, ही रचना सममित असते: एका दिशेने जाणारा इलेक्ट्रॉन आणि विरुद्ध दिशेने जाणारा इलेक्ट्रॉन यांना तोच स्पिन दिसतो. p-तरंग चुंबकांमध्ये उलटे असते: गतीची दिशा उलटली की स्पिनही उलटतो. आतापर्यंत नोंदवलेले p-तरंग चुंबक केवळ द्रव नायट्रोजनच्या तापमानाखालीच काम करत होते.

परिचित स्फटिकात दडलेला सर्पिल

शांघायमधील फुदान विद्यापीठ, ड्रेस्डेनमधील दोन मॅक्स प्लँक संस्था, आणि चीन व चेक प्रजासत्ताकातील इतर संस्थांमधील काइवेन शेन (Kaiwen Shen), शियानझे चेन (Xianzhe Chen), लिबोर श्मेयकाल (Libor Šmejkal) आणि सहकाऱ्यांनी बिस्मथ फेराइट (BiFeO₃) कडे मोर्चा वळवला. सर्वाधिक अभ्यासलेल्या “मल्टिफेरोइक्स”पैकी हा एक आहे, म्हणजे चुंबकीय आणि फेरोइलेक्ट्रिक दोन्ही असलेले पदार्थ — त्यांच्यात अंगभूत विद्युत ध्रुवीकरण असते. तो सुमारे 640 केल्विनपर्यंत (खोलीच्या तापमानापेक्षा बराच वर) चुंबकीयदृष्ट्या सुव्यवस्थित राहतो आणि 1,100 केल्विनपर्यंत फेरोइलेक्ट्रिक राहतो.

त्याच्या आत लोहाच्या अणूंची चुंबकीय आघूर्णे एका रेषेत नसतात: ती सायक्लॉइड नावाच्या एका सर्पिलावर टप्प्याटप्प्याने फिरतात. चमू दाखवतो की हा सर्पिल स्वतःहूनच p-तरंग चुंबकत्व निर्माण करतो — ही यंत्रणा आधी दुर्लक्षित राहिल्याचे ते वर्णन करतात.

सिद्धांत, मग लेझर

• स्फटिकातील इलेक्ट्रॉनच्या गणनांमधून एक स्वच्छ p-तरंग स्पिन-रचना दिसते, सुमारे 100 मिलिइलेक्ट्रॉनव्होल्टच्या स्पिन-विभाजनासह. सापेक्षतावादी परिणाम जोडल्याने त्यात फारसा बदल होत नाही: हा परिणाम चुंबकीय सुव्यवस्थेतूनच येतो.
• सर्पिल दुसऱ्या बाजूने वळला — उजव्याऐवजी डाव्या हाताचा — की स्पिन-रचना उलटते.
• प्रयोगशाळेत त्यांनी बिस्मथ फेराइटचे 100 नॅनोमीटरचे पटल वाढवले आणि हिऱ्याच्या टोकाच्या एका क्वांटम संवेदकाने त्याच्या चुंबकीय सर्पिलाची प्रतिमा घेतली.
• स्पिन वाचण्यासाठी त्यांनी पटलावर वर्तुळाकार ध्रुवित लेझर टाकला. एका दिशेने फिरणारा प्रकाश एका स्पिनच्या इलेक्ट्रॉनना दुसऱ्यांपेक्षा अधिक उत्तेजित करतो, आणि त्यातून एक छोटा विद्युत प्रवाह निर्माण होतो, ज्याचे चिन्ह स्पिनच्या दिशेनुसार असते. त्यांनी नमुना फिरवला तसा प्रवाह p-तरंग स्पिन-ध्रुवीकरणासाठी भाकीत केलेल्या दिशेत नेमका शिखरावर पोहोचला. ही सर्व मोजमापे खोलीच्या तापमानाला, उघड्या हवेत केली गेली.

व्होल्टेजने स्पिन उलटवणे

मुख्य वैशिष्ट्य: बिस्मथ फेराइटमध्ये सर्पिलाचा हात विद्युत ध्रुवीकरणाशी कुलूपबंद असतो. एक उलटवला की दुसरा त्याच्यामागे जातो.

चमूने पटलावर सुमारे 300 किलोव्होल्ट प्रति सेंटिमीटरचे विद्युत स्पंद लावले. ध्रुवीकरण फिरले, सर्पिलाचा हात बदलला, आणि लेझरमुळे निर्माण होणाऱ्या प्रवाहाचे चिन्ह बदलले: एका स्पंदानंतर धन, विरुद्ध स्पंदानंतर ऋण. लावलेल्या क्षेत्राच्या तुलनेत आलेखित केल्यावर प्रवाहाने एक शैथिल्य-वलय (hysteresis loop) रेखाटले, जे स्फटिकाच्या ध्रुवीकरणाच्या उलटण्याशी जुळले. हा बदल उलटवता येण्याजोगा आहे आणि स्पंदानंतरही तसाच टिकून राहतो.

विद्युत स्पंद ध्रुवीकरण आणि सर्पिलाचा हात उलटवतात (a); उपकरण (b); स्पिन-प्रवाहाचे चिन्ह उलटते (c) आणि विद्युत क्षेत्राच्या तुलनेत तो शैथिल्य-वलयाचे अनुसरण करतो (d). — आकृती 3, Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.

अतिशीत तापमानातून टेबलावर

लेखक याचे सादरीकरण खोलीच्या तापमानाला व्होल्टेजने नियंत्रित होणारे, विषम-समतेचे (odd-parity) स्पिन-विभाजन असलेला चुंबक असे करतात, आणि यात कमी ऊर्जा वापरणाऱ्या स्पिनट्रॉनिक उपकरणांकडे जाणारा मार्ग पाहतात. हे निकाल प्रयोगशाळेतील पातळ पटलांमधून आले आहेत; मोजलेल्या संकेताच्या उलटण्यापलीकडे कोणतेही उपकरण अजून प्रत्यक्ष दाखवलेले नाही.