سائنسدانوں نے اس بات کا تعین کیا ہے کہ مقناطیسی سیمی کنڈکٹرز میں حرارت کیسے رواں دواں رہتی ہے ، وہ مواد جو ابھرتی ہوئی ٹیکنالوجیز جیسے اسپنٹرونکس ، مقناطیسی میموری اور کوانٹم ڈیوائسز کے لیے اہم ہیں ۔

یہ دریافت کنڈینسڈ میٹر فزکس میں ایک دہائی پرانی پہیلی کو حل کرتی ہے اور اعلی کارکردگی والے الیکٹرانک اور مقناطیسی نظاموں میں جدید تھرمل مینجمنٹ کے لیے نئے امکانات کے دروازے کھولتی ہے ۔

روایتی سیمی کنڈکٹرز میں ، درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ تھرمل کی کارکردگی بنیادی طور پر گرمی لے جانے والے جالی کے لرزش  کی وجہ سے ، جسے فونن کہا جاتا ہے،کم ہوتی جاتی ہے ۔ تاہم ، کئی مقناطیسی سیمی کنڈکٹر اپنے مقناطیسی منتقلی کے درجہ حرارت سے اوپر تھرمل کارکردگی میں غیر معمولی اضافے کی نمائش کرکے اس اصول کی خلاف ورزی کرتے ہیں ۔ کرومیم نائٹرائڈ (سی آر این) ایک مقناطیسی سیمی کنڈکٹر ہے جو کوٹنگ اور الیکٹرانک ایپلی کیشنز میں استعمال ہوتا ہے ، ایسا ہی ایک مواد ہے ۔ اب تک ، اس بے قاعدہ تھرمل رویے کی اصل خوردبین غیر واضح تھی ۔

محکمہ سائنس و ٹیکنالوجی (ڈی ایس ٹی) کے ایک خود مختار ادارے جواہر لعل نہرو سینٹر فار ایڈوانسڈ سائنٹفک ریسرچ (جے این سی اے ایس آر) بنگلورو میں پروفیسر بیواس ساہا کی قیادت میں ایک تحقیقی ٹیم نے اب اس رجحان کے لیے ذمہ دار بنیادی طریقہ کار کی شناخت کرنے کے لیے براہ راست تجرباتی شواہد فراہم کیے ہیں ۔ مطالعہ سے پتہ چلتا ہے کہ فونون اور مقناطیسی اسپن کے اتار چڑھاؤ کے درمیان مضبوط جوڑا مقناطیسی سیمی کنڈکٹر میں حرارت کی نقل و حمل کو کنٹرول کرنے میں اہم کردار ادا کرتا ہے ۔

تصویر: (بالائی پینل) درجہ حرارت کے ساتھ متحرک اسپن-فونن جوڑے کا ارتقاء اور صوتی فونن پر اس کا اثر ۔ (اے) پیرامیگنیٹک سی آر این میں ٹی این کے قریب جوڑے ہوئے اسپن اور فونن کے اتار چڑھاؤ کا خاکہ ۔ زیادہ درجہ حرارت پر (T>> TN) اسپن کے اتار چڑھاؤ اور اسپن-فونون جوڑی کی طاقت کم ہو جاتی ہے ۔ (زیریں پینل) درجہ حرارت پر منحصر غیرپائیدار ایکس رے بکھرنے والا اسپیکٹرم q = (0.0 0.18) پر سی آر این ٹرانسورس صوتی (ٹی اے) فونن موڈ کو اجاگر کرتا ہے ۔ 300کے اور 373کے پر سی آر این کا وائگٹ فنکشن سے فٹ ٹی اے فونون موڈ پیش کیا گیا ہے ۔

محققین نے مقناطیسی مرحلے کی منتقلی میں اعلی معیار کی ایپیٹیکسیل سی آر این پتلی فلموں میں فونن کی عمر کی براہ راست پیمائش کرنے کے لیے جدید ترین درجہ حرارت پر منحصر غیر لچکدار ایکس رے بکھرنے کی تکنیکوں کا استعمال کیا ۔ ان پیمائشوں نے ٹیم کو یہ معلوم کرنے کی اجازت دی کہ جالی کے لرزش کرنے والے مقناطیسی عمل کے ساتھ کس طرح تعامل کرتے ہیں کیونکہ مواد ایک ترتیب شدہ مقناطیسی حالت سے بے ترتیب حالت میں تبدیل ہوتا ہے ۔

تجربات سے پتہ چلا کہ صوتی فونن ، جو گرمی کے بنیادی کیریئر ہیں ، مقناطیسی اسپن کے اتار چڑھاؤ کے ساتھ شدید تعاملات کی وجہ سے نیل کے درجہ حرارت کے قریب مضبوط ڈمپنگ کا تجربہ کرتے ہیں ۔ حیرت کی بات یہ ہے کہ جیسے جیسے درجہ حرارت میں مزید اضافہ ہوتا ہے اور طویل فاصلے تک مقناطیسی ترتیب کمزور ہوتی جاتی ہے ، فونن کی عمر میں بے ضابطگی سے اضافہ ہوتا ہے ۔ اس سے روایتی توقعات کے برعکس بلند درجہ حرارت پر تھرمل سرگرمیوں میں اضافہ ہوتا ہے ۔ اس کے برعکس ، آپٹیکل فونن معیاری درجہ حرارت پر منحصر رویے کی پیروی کرتے پائے گئے ، جو گرمی کی نقل و حمل کو کنٹرول کرنے میں اسپن کے اتار چڑھاؤ کے کردار کو واضح طور پر الگ کرتے ہیں ۔

ان تجرباتی مشاہدات کو جدید ایٹمسٹک اسپن ڈائنامکس سمیلیشنز اور پہلے اصولوں کے حساب سے مضبوطی سے تعاون حاصل ہے ، جو مل کر مقناطیسی اتار چڑھاؤ کو غیر معمولی حرارت کی ترسیل سے جوڑنے والا ایک واضح خوردبین طریقہ کار قائم کرتے ہیں ۔ مشترکہ تجرباتی اور نظریاتی نقطہ نظر مقناطیسی طور پر ترتیب شدہ مواد میں تھرمل ٹرانسپورٹ کو سمجھنے کے لیے ایک جامع فریم ورک فراہم کرتا ہے ۔

مطالعہ کی قیادت کرنے والے پروفیسر بیواس ساہا نے کہا ،‘‘یہ کام مقناطیسی سیمی کنڈکٹرز میں بڑھتی ہوئی تھرمل  سرگرمیوں کے ساتھ اسپن کے اتار چڑھاؤ کو جوڑنے والا پہلا براہ راست تجرباتی ثبوت فراہم کرتا ہے ۔’’ ‘‘یہ سمجھنے سے کہ اسپن-لیٹس کے تعاملات گرمی کے بہاؤ کو کس طرح متاثر کرتے ہیں ، ہم مقناطیسی ، اسپنٹونک اور کوانٹم آلات میں تھرمل مینجمنٹ کے لیے نئی حکمت عملی تلاش کر سکتے ہیں ، جہاں گرمی کی کھپت ایک اہم چیلنج ہے ۔’’

نتائج کے وسیع تکنیکی مضمرات ہیں ۔ اعلی طاقت والے اسپنٹونک آلات ، مقناطیسی میموری عناصر ، اور مستقبل کی کوانٹم ٹیکنالوجیز کے قابل اعتماد آپریشن کے لیے موثر حرارت کا انتظام ضروری ہے ۔ مقناطیسی ڈگری آف فریڈم کے ذریعے تھرمل ٹرانسپورٹ کو ٹیون کرنے کی صلاحیت کنٹرول کے قابل گرمی کے بہاؤ کے ساتھ مواد کو ڈیزائن کرنے کے لیے بنیادی طور پر ایک نیا نقطہ نظر پیش کرتی ہے ، ممکنہ طور پر ایسے آلات کو فعال کرتی ہے جو تیز اور زیادہ توانائی سے موثر دونوں ہوں ۔

یہ تحقیق جے این سی اے ایس آر ، آئی آئی ایس ای آر ترواننت پورم ، لنکوپنگ یونیورسٹی (سویڈن) اور اسپرنگ-8 (جاپان) اور ڈی ای ایس وائی (جرمنی) سمیت بڑی بین الاقوامی سنکروٹرون سہولیات پر مشتمل ایک باہمی تعاون کی کوشش کے ذریعے کی گئی تھی ۔

یہ مطالعہ حال ہی میں سائنس ایڈوانسز جریدے میں شائع ہوا تھا ، جس میں جدید ترین مواد کی تحقیق میں ہندوستان کی بڑھتی ہوئی قیادت کی نشاندہی کی گئی تھی ۔

اشاعت کا حوالہ: 10.1126/sciadv.adw7332

***

 

(ش ح ۔ع و۔ ع د)

U. No. 3862

 

(ریلیز آئی ڈی: 2238791) وزیٹر کاؤنٹر : 11