පර්යේෂකයෝ නව ‘චුම්භකත්වයක්’(magnetism) සොයා ගනිති

මීට වසර කීපයකට පෙර පුරෝකථනය කරන ලද ද්‍රව්‍ය 200කටවැඩියෙන් “විපර්යාස චුම්බක”(altermagnets)   විය හැකිය   

 වසර දහස් ගණනක් තිස්සේ මිනිසුන් කාන්දම්වල කැපීපෙනෙන මායාවට ආකර්ංඅනය වී ඇත.  අයස්කාන්තය හෙවත් කාන්දම් ගල්(lodestone) ලෙස හඳුන්වන අඳුරු පාෂාණවලට යකඩ පතුරු චලනය කිරීමේ හැකියාව තිබෙන නිසා පුරාණ ග්‍රීක දාර්ශනිකයන් විශ්වාස කළේ ඒවාට ආත්මයක් ඇති බවයි.

චුම්බක ද්‍රව්‍ය ඒවායේ බලය උකහා ගන්නේ ඒවා තුළ ඇති පරමාණුවල හැසිරීමෙන් බව භෞතික විද්‍යාඥයෝ දැන් දනිති. එහෙත්,  චුම්භකත්වය තවමත් රහස් සඟවා තබා ගෙන ඇත. පර්යේෂකයන් මෑතකදී සම්පූර්ණයෙන්ම නව චුම්භක පන්තියක සලකුණු සොයාගෙන ඇත. නව චුම්භක පන්තිය, අයශ්චුම්භකත්වය(ferromagnetism) සහ ප්‍රති-අයශ්චුම්භකත්වය(antiferromagnetism) යන එක් එක් සාම්ප්‍රදායික වර්ග දෙකේ ගතිලක්ෂණ සහිත එකකි.

න්‍යායාත්මක පුරෝකථනයන්ට අනුව ද්‍රව්‍ය 200කට වඩා වැඩි ප්‍රමාණයක් නව සංසිද්ධිය ප්‍රදර්ශනය කළ යුතු අතර භෞතික විද්‍යාඥයෝ ඒ සඳහා සෘජු පර්යේෂණාත්මක සාක්ෂි සොයා ගැනීමට සමීප වෙමින් සිටිති. සොයා ගනු ලැබුවහොත්, එය වඩාත් කාර්යක්ෂම ඉලෙක්ට්‍රොනික උපාංගවලට මඟ පෑදිය හැක. මෙම “මූලික වශයෙන් නව චුම්භකත්වය” ප්‍රදර්ශනය කරන බව පෙනෙන ද්‍රව්‍ය අතලොස්සක් දැනටමත් ඔවුන් සොයාගෙන ඇති බව Léon Brillouin රසායනාගාරයේ භෞතික විද්‍යාඥයෙකු වන Paul McClarty පවසයි. “එය ද්‍රව්‍ය ක්‍රියා කළ හැකි ක්‍රම පිළිබඳ අපගේ අවබෝධය පුළුල් කරයි.”

සියල්ලටම භ්‍රමණය නම් ගුණයක් ඇති ඉලෙක්ට්‍රෝන වලින් ඝන ද්‍රව්‍ය ඇතුළත පරමාණු වට වී ඇති අතර එමඟින් සෑම පරමාණුවකටම ඊටම ආවේනික කුඩා චුම්බක ක්ෂේත්‍රයක් හිමි කර දෙනු ලැබේ. එක් එක් පරමාණුව සඳහා සම්පූර්ණ භ්‍රමණය විවිධ දිශාවලට යොමු කළ හැකි ඊතලයකින් නිරූපණය කෙරේ. ෆෙරෝ චුම්බක වලදී, ද්‍රව්‍යය තුළ ඇති සියලුම භ්‍රමණයන් එකෙල්ල ගත කර ඇති අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස ශුද්ධ චුම්බක ක්ෂේත්‍රයක් ඇතිවේ. ශීතකරණයේ ඡායාරූප ඇලවීමට අමතරව, ෆෙරෝ චුම්බක ප්‍රයෝජනවත් වන්නේ ඒවායේ භ්‍රමණය වෙනත් චුම්බක ක්ෂේත්‍රයක් යෙදීමෙන් පහසුවෙන් එහා මෙහා කළ හැකි අතර පරිගණක මතකය ලෙස භාවිතා කළ හැකි වෙනස් තත්වයන් නිර්මාණය කළ හැකි බැවිනි. මෙම තාක්ෂණය නැගී එන ‘බැමුම්ට්‍රොනික්'(spintronics) තාක්ෂණයට උපත ලබා දුන්නේය.  ‘බැමුමම්ට්‍රොනික්'(spintronics) තාක්ෂණයේ දී,  ආරෝපණයට වඩා ඉලෙක්ට්‍රෝන භ්‍රමණය හරහා තොරතුරු කේතනය කෙරේ.

1930 ගණන්වලදී, විද්‍යාඥයින්ට තේරුම් ගියේ අසල්වැසි පරමාණුවල භ්‍රමණය ප්‍රතිවිරුද්ධ දිශාවලට යොමු වීම වඩාත් සාමාන්‍ය දෙයක් වන නිසා ඒවායේ ශුද්ධ චුම්බකකරණය අවලංගුව යන බවයි. විසම කළ සැකැස්ම ඒකාකාර සැකැස්මට වඩා බොහෝ ස්ථායී බැවින්, මෙම ප්‍රති-ෆෙරෝ චුම්බක ව්‍යවහාරික චුම්බක හෝ විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍ර සමඟ චුම්බකකරණය කළ නොහැක්කක් තරමටම අපහසුය. ප්‍රංශ භෞතික විද්‍යාඥ Louis Néel, ප්‍රති-චුම්බකත්වය පිළිබඳව සිය පුරෝගාමී කාර්යය සඳහා 1970 දී නොබෙල් ත්‍යාගය දිනාගත් විට,  ඔහු මෙම සංසිද්ධිය විස්තර කළේ “සිත් ඇදගන්නා නමුත් නිෂ්ඵල” ලෙසිනි. එසේ වෙතත්, මෙම සංකල්පය ප්‍රයෝජනවත් බව ඔප්පු වී ඇත: දෙවන ලෝක සංග්‍රාමයේදී, නැව් බඳවල් ප්‍රති-ෆෙරෝ චුම්බක මෙන් හැසිරීමට සහ චුම්බකත්වය යොදා පිපිරවීමට මෑන් මුහුදු උගුල් සොයන පතල් මග හැරීමට විදුලි දඟර භාවිතා කරන ලදී.

වඩාත් මෑතක දී, විද්‍යාඥයන් ප්‍රති-අයස්චුම්භකත්වය වලින් බැමුම්ට්‍රොනික්’ උපාංග තැනීම සඳහා උපාය මාර්ග සැකසීමට පටන් ගෙන ඇත. ඒවායේ දෘඩ භ්‍රමණයන් හැසිරවීමට අපහසු වුවද, න්‍යාත්මක වශයෙන් ඒවාට අයස්චුම්බකවල ඇති ඒවාට වඩා 1000 ගුණයකින් වේගයෙන් පෙරළීමට හැකි අතර,  බලශක්ති කාර්යක්ෂමව, වැඩි තොරතුරු ගබඩා කිරීම සහ සැකසීමට ඉඩ සලසයි.

Mainz හි Johannes Gutenberg විශ්ව විද්‍යාලයේ භෞතික විද්‍යාඥයෙකු වූ Libor Šmejkal මීට වසර කිහිපයකට පෙර,  භව්‍ය ප්‍රති-අයස්චුම්බක ස්පින්ට්‍රොනික් ද්‍රව්‍යයක් සොයමින් සිටියදී  ඔහුට ruthenium dioxide නම් සංයෝගයක් හමු විය, එය බලාපොරොත්තු තැබිය හැකි දෙයක් බව පෙණී ගියත්, එය අමුතුය. ඔහුගේ(Šmejkal) ගණනය කිරීම් සාමාන්‍ය ප්‍රති-අයස්චුම්බකයක් මෙන් එයට ශුද්ධ චුම්බකකරණයක් තිබිය නොහැකි බව හැඟැවිණ. එහෙත් විද්‍යුත් ධාරාවකට ලක් වූ විට ද්‍රව්‍යය අයස්චුම්බකයක් මෙන් හැසිරෙනු ඇතැයි ද ඔහු අනාවැකි පළ කළේය: ද්‍රව්‍යයේ ඇති චුම්බක බලවේග ධාරාවේ ඉලෙක්ට්‍රෝන අපසරනය කරන්නේ එය ලම්බක දිශාවට ප්‍රබල වෝල්ටීයතාවයක් ඇති කරමිනි. 2020 දී චීනයේ කණ්ඩායමක් විසින් ruthenium dioxide හි මෙම පරස්පර විරෝධී ගුණාංග පර්යේෂණාත්මකව තහවුරු කරනු ලැබ ඇත.

ruthenium dioxide වැනි ද්‍රව්‍ය අයස්චුම්බකයේ කොටසක් මෙන්ම ප්‍රති-අයස් චුම්බකයේ කොටසක් විය හැකි ආකාරය පැහැදිලි කරමින් ඊළඟ වසරේ, Šmejkal සහ සගයෝ යෝජනාවක් සකස් කළහ. ඔවුන් ඒවා හැඳින්වූයේ “විපර්යාස චුම්බක”(altermagnets) ලෙසය. බොහෝ ද්‍රව්‍යවල, ඉලෙක්ට්‍රෝන භ්‍රමණ ඊතල ස්ඵටික දැලිස් තුළ ඒවායේ ධාරක පරමාණුවල දිශානතිය සමඟ ඉදියුම් වේ. එහෙත්, Šmejkal සහ සගයන් සැලකිල්ලට ගත්තේ සමහර ද්‍රව්‍යවල, කැරකෙන ඊතල පරමාණුවලින් ස්වාධීනව භ්‍රමණය විය හැකි අතර, එකක් හැර එකක් සෑම පරමාණුවක්ම 90°කින් භ්‍රමණය වී 180°කින් පෙරළෙන එකක් ලෙසය.

චුම්භකත්වයේ නව පෙරළිය

බොහෝ චුම්බක ද්‍රව්‍යවල ගුණ රඳා පවතින්නේ, එහි භ්‍රමණයෙන් දැක්වෙන එක් එක් පරමාණුවේ චුම්භක ක්ෂේත්‍රය ඉහළට (රෝස) හෝ පහළට (නිල්) යොමු වන්නේද යන්න මතය. විපර්යාස චුම්බක වලදී, පරමාණු සහ ඒවායේ භ්‍රමණය ස්වාධීනව සිදුවන වන අතර, ඒවාට ෆෙරෝ චුම්බක සහ ප්‍රති-ෆෙරෝ චුම්බක යන දෙකෙහිම ගුණාංග ලබා දෙයි.

අයස්චුම්භක ඉලෙක්ට්‍රෝනය භ්‍රමණය වන පරමාණු ප්‍රති-චුම්භක විකල්ප චුම්භක භ්‍රමණය වූ පරමාණු A. Mastin/Science

විපර්යාස චුම්බක අයස්චුම්බක සහ ප්‍රති-අයස්චුම්බකවල වඩාත්ම වටිනා ලක්ෂණ ඒකාබද්ධ කරයි. ශුන්‍ය ශුද්ධ චුම්භකකරණය සමඟින්, ඒවා ප්‍රති-අයස්චුම්බකයක ස්ථායීතාවයෙන් සහ වේගවත් කැරකීමේ-පෙරළීමේ ජවයකින් අලංකෘත වී ඇත. එහෙත් විපර්යාස චුම්බකයක භ්‍රමණයන්, අයස්චුම්බකයක මෙන්, පහසුවෙන් මතක ලිවීමට(memory writing) ඉඩ සලසමින් වෙනස් ඉහළ සහ පහළ තත්වයන්ට පහසුවෙන් ගෙන යා හැකිය. Mainz කණ්ඩායමේ තවත් භෞතික විද්‍යාඥයෙකු වන Jairo Sinova පවසන්නේ, “ඔබට කේක් එක එහෙමම තියාගන්නත්, එය කන්නත් යන දෙකම කරන්න බැහැ කියලා කතාවට කියනවානේ. මෙතැන තියෙන්නේ ඊට වෙනස් කතාවක්.”  අයස්චුම්භක භ්‍රමණය සාමාන්‍යයෙන් චුම්බක ක්ෂේත්‍ර සමඟ පෙරළෙන අතර, විපර්යාස චුම්බකයක භ්‍රමණය විවිධ දිශාවලට ධාරා යෙදීමෙන් හැසිරවිය හැකිය.

න්‍යායවාදීන් Šmejkal’ගේ විස්තරය එහි ගණිතමය අලංකාරය නිසා පිළිගැනීමට ඉක්මන් වූයේ වී නමුත්, මෙම සංසිද්ධිය මෙතරම් කාලයක් අවධානයට ලක් නොවී තිබීම බොහෝ දෙනා පුදුමයට පත් කරති. George Mason විශ්ව විද්‍යාලයේ භෞතික විද්‍යාඥ gor Mazin පවසන්නේ “එය අවිවාදිත න්‍යායික නිර්මිතයන්ගෙන් එකකි. නමුත් පුදුමය නම් එය මීට පෙර කවදාවත් සාකච්ඡා ගෙන නොතිබීමයි.

“ද්‍රව්‍ය 200කට වඩා විපර්යාස චුම්භක යැයි පුරෝකථනය කර ඇත  — ඒ කියන්නේ, දැනට දැන සිටින අයස්චුම්භක ද්‍රව්‍ය සංඛ්‍යාව මෙන් දෙගුණයකටත් වඩා වැඩිය. යම ද්‍රව්‍යකට ඉලෙක්ට්‍රෝන විමෝචනය කිරීම සඳහා පොළඹවනු වස් එම ද්‍රව්‍ය මත ලේසර් ආලෝකය විහිදුවමින් පර්යේෂකයන් දැන් මේ ගුණාංග  සෙවීමට පටන් ගෙන තිබේ.  එම ඉලෙක්ට්‍රෝනවල ගුණ මැනීමෙන්, විද්‍යාඥයින්ට විපර්යාස චුම්භකත්වයේ විශිෂ්ටතා ලක්ෂණය සෙවිය හැක: එනම්, අධිභ්‍රමණය වන සහ අවභ්‍රමණය වන ඉලෙක්ට්‍රෝන දෙකම පෙන්නුම් කරමින් කරමින්, එකිනෙකට වෙනස් කලාප දෙකක් තුළට වැටෙන ශක්ති මට්ටම්ය. (ප්‍රතිඅයස්චුම්බකවල ද අධිභ්‍රමණය වන සහ අවභ්‍රමණය වන ඉලෙක්ට්‍රෝන ඇති නමුත් ඒවා එකම ශක්ති මට්ටම් වල පිහිටා ඇත.)

manganese telluride නම් ද්රව්යයේ ඉලෙක්ට්රෝන ශක්තීන් තුළ පුරෝ කථනය් කෙරෙඋණු බෙදීම, පසුගිය මාසයේ දකුණු කොරියාවේ කණ්ඩායමක් විසින් සොයා ගන්නා ලදී.  මෑත කාලීන අතිරේක අධ්‍යයනයන් දෙකක් මගින් manganese tellurideසහ ruthenium dioxide වල සමාන සංඥා ද  හඳුනා ගනු ලැබ ඇති අතර, ශක්ති කලාප නිශ්චිත භ්‍රමණ ධ්‍රැවීයතාවන්ට සම්බන්ධ කිරීමට ද උත්සාහ කරනු ලැබේ. “100%ක් පැහැදිලි සාක්ෂි පර්යේෂණාත්මකව සාක්ෂාත් කර ගැනීම ඇත්තෙන්ම දුෂ්කර ය” යනුවෙන් සෝල් ජාතික විශ්ව විද්‍යාලයේ ආචාර්ය උපාධි අපේක්ෂක  Suyoung Lee පවසයි. හෙතෙම, නවතම අධ්‍යයනයකට නායකත්වය දුන්  අයෙකි. “ඒත් මම කියන්නේ, විපර්යාස චුම්භකත්වය සබෑ දෙයක් බවට ප්‍රමාණවත් පර්යේෂණාත්මක සාක්ෂි  දැන් අපට ඇති බවයි … .” ඔහු කියයි.

ඹ්ච්ඡ්ලර්ට්ය් පවසන්නේ, නව අත්හදා බැලීම් “විපර්යාස චුම්භකත්වයට අනුකූල වන” නමුත් ද්‍රව්‍යයේ චුම්බක භූ දර්ශනයේ කොටසක් හරහා භ්‍රමණය හැසිරීම පමණක් හෙළි කරන බවයි. පර්යේෂණාත්මක වාදීන් සමස්ත ත්‍රිමාණ ව්‍යුහයක් හරහා හැසිරීම ග්‍රහණය කරන තුරු, “මම මගේ උත්සාහය අත් නොහරිමි,” ඔහු පවසයි. එසේම, ඉලෙක්ට්‍රොනික උපාංග සඳහා විපර්යාස චුම්බක යොදා ගැනීමට පෙර, විද්‍යාඥයින් විසින් විතැන් වන වින්‍යාසවල අටවා ගත් එකතුවකට වඩා ස්ථාවර විපර්යාස චුම්භක දිශානතියක් ඇති ද්‍රව්‍ය සංස්ලේෂණය කිරීමට ඉගෙන ගත යුතුය.

ද්‍රව්‍යවල විපර්යාස චුම්භක ස්වරූපය තහවුරු කිරීම සම්පූර්ණයෙන්ම පාහේ ස්ථිර බවට Mazin විශ්වාසය පළකරයි. “ඒවා එසේ නොවීමට ස්වභාවධර්මයේ ඉඩක් නොලැබේ,” ඔහු පවසයි. සත්‍යාපන ප්‍රයත්නය ඔහු දකින්නේ “දෙවරක් දෙක හතර බව ඔප්පු කිරීම සඳහ කරන අත්හදා බැලීමක්” ලෙසිනි.

කෙසේවෙතත්, Lee ලී අදහස් කරන අන්දමට ප්‍රෞත්නයේ වෙනත් ප්‍රතිලාභ වේ: මතු වී එන සංකීර්ණ සංසිද්ධි ගවේෂණය කිරීමට අවස්ථාවක් හිමිවීමප්‍රායෝගික යෙදුම් වලට තුඩු දිය හැකිය. “මම හිතන්නේ මෙය නව විපර්යාස චුම්බක ක්ෂේත්‍රයක ආරම්භක ලක්ෂ්‍යයයි” ඇය පවසයි, “මට එහි කොටසක් වීමට ලැබීම ගැන මම සතුටු වෙමි.”

AAAS Science හී 2024 පෙබරවාරි 06දා පළ වී ඇති Researchers discover new kind of magnetism යන ලිපිය ඇසුරෙනි