वैज्ञानिकों ने मैग्नेटिक सेमीकंडक्टरों में हीट ट्रांसपोर्ट को समझने में सफलता प्राप्त की है, जो स्पिनट्रॉनिक्स, मैग्नेटिक मेमोरी और क्वांटम डिवाइसेज जैसी उभरती प्रौद्योगिकियों के लिए महत्वपूर्ण पदार्थ हैं।

इस खोज से संघनित मैटर फिजिक्स में एक दशक पुरानी पहेली का समाधान हो गया है और उच्च-प्रदर्शन वाले इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय प्रणालियों में उन्नत तापीय प्रबंधन के लिए नई संभावनाएं खुल गई हैं।

परंपरागत सेमीकंडक्टर में, तापमान बढ़ने पर ऊष्मीय चालकता घटती है, जिसका मुख्य कारण ऊष्मा संचारित करने वाले लैटिस वायब्रेशंस (जिन्हें फोनन कहा जाता है) की बढ़ी हुई स्कैटरिंग है। हालांकि, कई मैग्नेटिक सेमीकंडक्टर इस नियम का उल्लंघन करते हैं और अपने मैग्नेटिक, ट्रांजिशन तापमान से ऊपर थर्मल चालकता में असामान्य वृद्धि प्रदर्शित करते हैं। क्रोमियम नाइट्राइड जो कोटिंग्स और इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में प्रयुक्त एक मैग्नेटिक सेमीकंडक्टर है, ऐसा ही एक पदार्थ है। अब तक, इस असामान्य ऊष्मीय व्यवहार का सूक्ष्म स्तर पर कारण स्पष्ट नहीं हो पाया था।

विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) के एक स्वायत्त संस्थान, जवाहरलाल नेहरू उन्नत वैज्ञानिक अनुसंधान केंद्र (जेएनसीएएसआर), बेंगलुरु में प्रोफेसर बिवास साहा के नेतृत्व में एक शोध दल ने इस घटना के लिए जिम्मेदार अंतर्निहित तंत्र की पहचान करने वाले प्रत्यक्ष प्रायोगिक प्रमाण प्रस्तुत किए हैं। अध्ययन से पता चलता है कि मैग्नेटिक सेमीकंडक्टरों में हीट ट्रांसपोर्ट को नियंत्रित करने में फोनोन और मैग्नेटिक स्पिन उतार-चढ़ाव के बीच मजबूत संयोजन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

चित्र: (ऊपरी पैनल) तापमान के साथ गतिशील स्पिन-फोनन युग्मन का विकास और ध्वनिक फोनन जीवनकाल पर इसका प्रभाव। (ए) पराचुंबकीय सीआरएन में टीएन  के निकट युग्मित स्पिन और फोनन उतार-चढ़ाव का योजनाबद्ध चित्रण । उच्च तापमान पर (टी >> टीएन ), स्पिन उतार-चढ़ाव और स्पिन-फोनन युग्मन की शक्ति कम हो जाती है। (निचला पैनल) सीआरएन के q = (0 0 0.18) पर तापमान-निर्भर अकुशल एक्स-रे प्रकीर्णन स्पेक्ट्रम अनुप्रस्थ ध्वनिक (टीए) फोनन मोड को दर्शाता है। 300के और 373के  पर सीआरएन के वोग्ट फ़ंक्शन-फिटेड टीए फोनन मोड प्रस्तुत किए गए हैं।

शोधकर्ताओं ने अत्याधुनिक तापमान-निर्भर अप्रत्यास्थ एक्स-रे प्रकीर्णन तकनीकों का उपयोग करते हुए मैग्नेटिक फेज ट्रांजिशन के दौरान उच्च गुणवत्ता वाली एपिटैक्सियल सीआरएन थिन फिल्मों में फोनन लाइफटाइम को सीधे मापा। इन मापों ने टीम को यह समझने में मदद की कि जब पदार्थ एक व्यवस्थित चुंबकीय अवस्था से अव्यवस्थित अवस्था में परिवर्तित होता है, तो लैटिस वायब्रेशंस कंपन चुंबकीय उद्दीपनों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं।

प्रयोगों से पता चला कि एकोस्टिक फोनोन, जो ऊष्मा के प्राथमिक वाहक हैं, मैग्नेटिक स्पिन उतार-चढ़ाव के साथ तीव्र अंतःक्रियाओं के कारण नील टेम्प्रेचर के निकट तीव्र डम्पिंग का अनुभव करते हैं। आश्चर्यजनक रूप से, जैसे-जैसे तापमान और बढ़ता है और लैंग रेंज मैग्नेटिक क्रम कमजोर होता है, फोनोन का जीवनकाल असामान्य रूप से बढ़ जाता है। इससे पारंपरिक अपेक्षाओं के विपरीत, उच्च तापमान पर ऊष्मीय चालकता में वृद्धि होती है। इसके विपरीत, औप्टिकल फोनोन मानक तापमान-निर्भर व्यवहार का पालन करते पाए गए, जिससे हीट ट्रांसपोर्ट को नियंत्रित करने में स्पिन उतार-चढ़ाव की भूमिका स्पष्ट रूप से प्रकट होती है।

इन प्रायोगिक प्रेक्षणों को उन्नत परमाणु स्पिन-गतिशीलता सिमुलेशन और प्रथम-सिद्धांत गणनाओं द्वारा सशक्त रूप से समर्थित किया गया है, जो मिलकर चुंबकीय उतार-चढ़ाव को असामान्य ताप चालन से जोड़ने वाली एक स्पष्ट सूक्ष्म क्रियाविधि स्थापित करते हैं। संयुक्त प्रायोगिक और सैद्धांतिक दृष्टिकोण मैग्नेटिक रूप से व्यवस्थित पदार्थों में थर्मल ट्रांसपोर्ट को समझने के लिए एक व्यापक ढांचा प्रदान करता है।

अध्ययन का नेतृत्व करने वाले प्रोफेसर बिवास साहा ने कहा, “यह शोध मैग्नेटिक सेमीकंडक्टरों में बढ़ी हुई थर्मल चालकता के साथ स्पिन उतार-चढ़ाव को जोड़ने वाला पहला प्रत्यक्ष प्रायोगिक प्रमाण प्रदान करता है।” उन्होंने कहा “स्पिन-लैटिस अंतःक्रियाएं ऊष्मा प्रवाह को कैसे प्रभावित करती हैं, इसे समझकर हम मैग्नेटिक, स्पिनट्रॉनिक और क्वांटम डिवाइसिज में तापीय प्रबंधन के लिए नई रणनीतियों का पता लगा सकते हैं, जहां ऊष्मा अपव्यय एक महत्वपूर्ण चुनौती है।”

इन निष्कर्षों के प्रौद्योगिकीय क्षेत्र में व्यापक निहितार्थ हैं। हाई-पावर स्पिनट्रॉनिक डिवाइसिज, मैग्नेटिक मेमोरी तत्वों और भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विश्वसनीय संचालन के लिए कुशल ऊष्मा प्रबंधन आवश्यक है। फ्रीडम की मैग्नेटिक डिग्री के माध्यम से थर्मल ट्रांसपोर्ट को नियंत्रित करने की क्षमता, नियंत्रणीय ऊष्मा प्रवाह वाले पदार्थों को डिजाइन करने के लिए एक मौलिक रूप से नया दृष्टिकोण प्रदान करती है, जिससे संभावित रूप से ऐसे डिवाइसिज विकसित किए जा सकते हैं जो अधिक तीव्र और ऊर्जा कुशल हों।

यह शोध जेएनसीएएसआर, आईआईएसईआर तिरुवनंतपुरम, लिंकोपिंग विश्वविद्यालय (स्वीडन) और एसपीआरिंग-8 (जापान) और डीईएसवाई (जर्मनी) सहित प्रमुख अंतरराष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं के सहयोगात्मक प्रयास के माध्यम से किया गया था।

यह अध्ययन हाल ही में साइंस एडवांसेज नामक पत्रिका में प्रकाशित हुआ था , जो अत्याधुनिक सामग्री अनुसंधान में भारत के बढ़ते नेतृत्व को रेखांकित करता है।

प्रकाशन लिंक: 10.1126/sciadv.adw7332

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