انجینئرڈ مواد میں نئی ​​قسم کی مقناطیسیت | کوانٹا میگزین

وہ تمام میگنےٹ جن کے ساتھ آپ نے کبھی تعامل کیا ہے، جیسے کہ آپ کے ریفریجریٹر کے دروازے پر چپکے ہوئے ٹچچکس اسی وجہ سے مقناطیسی ہیں۔ لیکن کیا ہوگا اگر مادی مقناطیسی بنانے کا کوئی اور، اجنبی طریقہ ہو؟

1966 میں جاپانی ماہر طبیعیات یوسوکے ناگاوکا نے تصور کیا مقناطیسیت کی ایک قسم فرضی مواد کے اندر الیکٹرانوں کے بظاہر غیر فطری رقص سے تیار کیا گیا ہے۔ اب، طبیعیات دانوں کی ایک ٹیم نے ناگاوکا کی پیشین گوئیوں کے ایک ایسے ورژن کو دیکھا ہے جو صرف چھ ایٹموں کی موٹی انجینئرڈ مواد کے اندر چل رہا ہے۔

دریافت، حال ہی میں جرنل میں شائع فطرت، قدرت، ناگاوکا فیرو میگنیٹزم کی پانچ دہائیوں کی تلاش میں تازہ ترین پیشرفت کی نشاندہی کرتا ہے، جس میں ایک مادّہ مقناطیسیت کرتا ہے کیونکہ اس کے اندر موجود الیکٹران روایتی میگنےٹ کے برعکس اپنی حرکی توانائی کو کم سے کم کرتے ہیں۔ "اسی لیے میں اس قسم کی تحقیق کر رہا ہوں: مجھے ایسی چیزیں سیکھنے کو ملتی ہیں جو ہم پہلے نہیں جانتے تھے، ایسی چیزیں دیکھیں جو ہم نے پہلے نہیں دیکھی ہوں،" مطالعہ کے شریک مصنف نے کہا۔ Livio Ciorciaro، جس نے سوئس فیڈرل انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی زیورخ کے انسٹی ٹیوٹ برائے کوانٹم الیکٹرانکس میں ڈاکٹریٹ کے امیدوار کے دوران کام مکمل کیا۔

2020 میں محققین نے ناگاوکا فیرو میگنیٹزم بنایا ایک چھوٹے سے نظام میں جس میں صرف تین الیکٹران ہوتے ہیں، سب سے چھوٹے ممکنہ نظاموں میں سے ایک جس میں واقعہ رونما ہو سکتا ہے۔ نئے مطالعہ میں، Ciorciaro اور اس کے ساتھیوں نے اسے ایک توسیعی نظام میں بنایا - ایک نمونہ دار ڈھانچہ جسے moiré lattice کہتے ہیں جو دو نینو میٹر پتلی چادروں سے بنتا ہے۔

یہ مطالعہ "ان moiré lattices کا واقعی ٹھنڈا استعمال ہے، جو نسبتاً نئے ہیں،" نے کہا جوآن پابلو ڈیہولائن، 2020 کے مطالعہ کے شریک مصنف جنہوں نے ڈیلفٹ یونیورسٹی آف ٹیکنالوجی میں کام مکمل کیا۔ "یہ اس فیرو میگنیٹزم کو ایک طرح سے مختلف انداز میں دیکھتا ہے۔"

جب آپ کے متوازی گھماؤ ایک فیلڈ شروع کرنے کا سبب بنتے ہیں۔

روایتی فیرو میگنیٹزم پیدا ہوتا ہے کیونکہ الیکٹران ایک دوسرے کو زیادہ پسند نہیں کرتے ہیں، لہذا ان میں ملنے کی کوئی خواہش نہیں ہے۔

تصور کریں کہ دو الیکٹران ایک دوسرے کے ساتھ بیٹھے ہیں۔ وہ ایک دوسرے کو پیچھے ہٹا دیں گے کیونکہ ان دونوں پر برقی چارجز منفی ہیں۔ ان کی سب سے کم توانائی والی حالت انہیں بہت دور پائے گی۔ اور نظام، ایک اصول کے طور پر، اپنی سب سے کم توانائی والی حالت میں بس جاتے ہیں۔

کوانٹم میکانکس کے مطابق، الیکٹران کی چند دیگر اہم خصوصیات ہیں۔ سب سے پہلے، وہ انفرادی پوائنٹس کی طرح کم اور دھند کے امکانی بادلوں کی طرح برتاؤ کرتے ہیں۔ دوسرا، ان کے پاس سپن نامی ایک کوانٹم خاصیت ہے، جو ایک اندرونی مقناطیس کی طرح ہے جو اوپر یا نیچے کی طرف اشارہ کر سکتا ہے۔ اور تیسرا، دو الیکٹران ایک ہی کوانٹم حالت میں نہیں ہو سکتے۔

نتیجے کے طور پر، ایک ہی گھماؤ والے الیکٹران واقعی ایک دوسرے سے دور ہونا چاہیں گے - اگر وہ ایک ہی جگہ پر ہیں، ایک ہی گھماؤ کے ساتھ، وہ ایک ہی کوانٹم حالت پر قبضہ کرنے کا خطرہ چلاتے ہیں۔ متوازی گھماؤ کے ساتھ اوورلیپنگ الیکٹران اس سے تھوڑا سا دور رہتے ہیں جو وہ دوسری صورت میں کرتے ہیں۔

ایک بیرونی مقناطیسی میدان کی موجودگی میں، یہ رجحان اتنا مضبوط ہو سکتا ہے کہ الیکٹران کو چھوٹے بار میگنےٹ کی طرح استر میں گھمائے، مواد کے اندر ایک میکروسکوپک مقناطیسی میدان بنا سکے۔ لوہے جیسی دھاتوں میں، یہ الیکٹران کے تعاملات، جنہیں تبادلہ تعامل کہا جاتا ہے، اس قدر قوی ہوتے ہیں کہ جب تک دھات کو بہت زیادہ گرم نہ کیا جائے، انڈسڈ میگنیٹائزیشن مستقل رہتی ہے۔

مطالعہ کے شریک مصنف نے کہا کہ "ہماری روزمرہ کی زندگی میں مقناطیسیت کی وجہ الیکٹران کے تبادلے کی بات چیت کی طاقت ہے۔" Ataç İmamoğluانسٹی ٹیوٹ فار کوانٹم الیکٹرانکس میں ایک ماہر طبیعیات بھی۔

تاہم، جیسا کہ ناگاوکا نے 1960 کی دہائی میں نظریہ پیش کیا، تبادلے کے تعاملات مادی مقناطیسی بنانے کا واحد طریقہ نہیں ہوسکتے ہیں۔ ناگاوکا نے ایک مربع، دو جہتی جالی کا تصور کیا جہاں جالی پر ہر سائٹ پر صرف ایک الیکٹران تھا۔ پھر اس نے یہ کام کیا کہ اگر آپ ان الیکٹرانوں میں سے کسی کو کچھ شرائط کے تحت ہٹا دیں تو کیا ہوگا۔ جیسے ہی جالی کے بقیہ الیکٹران آپس میں تعامل کرتے ہیں، وہ سوراخ جہاں غائب الیکٹران ہوتا تھا وہ جالی کے گرد گھومتا رہتا ہے۔

ناگاوکا کے منظر نامے میں، جالی کی مجموعی توانائی اس وقت سب سے کم ہو گی جب اس کے الیکٹران اسپنز سب سیدھ میں ہوں گے۔ ہر الیکٹران کی ترتیب ایک جیسی نظر آئے گی - گویا کہ الیکٹران دنیا کی سب سے بورنگ میں ایک جیسی ٹائلیں ہیں۔ سلائڈنگ ٹائل پہیلی. یہ متوازی گھماؤ، بدلے میں، مواد کو فیرو میگنیٹک بنائیں گے۔

جب ایک موڑ کے ساتھ دو گرڈ ایک پیٹرن موجود ہیں

اماموگلو اور ان کے ساتھیوں کے ذہن میں یہ خیال تھا کہ وہ ایٹموں کی واحد پرت کی چادروں کے ساتھ تجربہ کر کے ناگاوکا مقناطیسیت تخلیق کر سکتے ہیں جنہیں ایک پیچیدہ موئیر پیٹرن بنانے کے لیے ایک ساتھ کھڑا کیا جا سکتا ہے (تلفظ mwah-ray)۔ جوہری طور پر پتلے، تہہ دار مواد میں، موئیر پیٹرن یکسر تبدیل کر سکتے ہیں کہ الیکٹران اور اس طرح مواد کیسے برتاؤ کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، 2018 میں ماہر طبیعیات پابلو جاریلو-ہیریرو اور ان کے ساتھی demonstrated,en کہ گرافین کے دو پرتوں کے ڈھیروں نے سپر کنڈکٹ کی صلاحیت حاصل کی جب وہ ایک موڑ کے ساتھ دو تہوں کو آفسیٹ کرتے ہیں۔

اس کے بعد سے Moiré مواد ایک زبردست نئے نظام کے طور پر ابھرا ہے جس میں مقناطیسیت کا مطالعہ کرنا ہے، جو سپر کولڈ ایٹموں کے بادلوں اور کپریٹس جیسے پیچیدہ مادوں کے ساتھ سلاٹ کیا جاتا ہے۔ اماموغلو نے کہا، "موئیر مواد ہمیں بنیادی طور پر، الیکٹران کی کئی جسمانی حالتوں کی ترکیب اور مطالعہ کے لیے ایک کھیل کا میدان فراہم کرتا ہے۔"

محققین نے سیمی کنڈکٹرز مولیبڈینم ڈسلینائیڈ اور ٹنگسٹن ڈسلفائیڈ کے monolayers سے ایک مواد کی ترکیب کرکے شروع کیا، جو مواد کی ایک کلاس سے تعلق رکھتا ہے۔ ماضی کی نقالی مضمر تھا کہ ناگاوکا طرز کی مقناطیسیت کی نمائش کر سکتا ہے۔ اس کے بعد انہوں نے مختلف طاقتوں کے کمزور مقناطیسی فیلڈز کو moiré میٹریل پر لاگو کیا جبکہ اس بات کا پتہ لگایا کہ کتنے مواد کے الیکٹران اسپن فیلڈز کے ساتھ منسلک ہیں۔

اس کے بعد محققین نے ان پیمائشوں کو پورے مواد میں مختلف وولٹیج لگاتے ہوئے دہرایا، جس سے یہ بدل گیا کہ موئیر جالی میں کتنے الیکٹران تھے۔ انہیں کچھ عجیب معلوم ہوا۔ مواد بیرونی مقناطیسی فیلڈ کے ساتھ سیدھ میں آنے کا زیادہ خطرہ تھا - یعنی زیادہ فیرو میگنیٹک طریقے سے برتاؤ کرتا ہے - صرف اس صورت میں جب اس میں جالیوں کی جگہوں کے مقابلے میں 50٪ زیادہ الیکٹران ہوں۔ اور جب جالیوں میں جالی کی جگہوں سے کم الیکٹران تھے، محققین نے فیرو میگنیٹزم کی کوئی علامت نہیں دیکھی۔ یہ اس کے برعکس تھا جس کی وہ توقع کرتے تھے کہ آیا معیاری مسئلہ ناگاوکا فیرو میگنیٹزم کام کر رہا ہوتا۔

تاہم مواد مقناطیسی تھا، ایسا نہیں لگتا تھا کہ تبادلہ تعامل اسے چلا رہا ہے۔ لیکن ناگاوکا کے نظریہ کے آسان ترین ورژن نے بھی اس کی مقناطیسی خصوصیات کی مکمل وضاحت نہیں کی۔

جب آپ کی چیزیں مقناطیسی ہو جاتی ہیں اور آپ قدرے حیران ہوتے ہیں۔

بالآخر، یہ حرکت پر اتر آیا۔ الیکٹران خلا میں پھیل کر اپنی حرکی توانائی کو کم کرتے ہیں، جس کی وجہ سے ایک الیکٹران کی کوانٹم حالت کو بیان کرنے والی لہر کا فعل اس کے پڑوسیوں کے ساتھ اوورلیپ ہونے کا سبب بن سکتا ہے، اور ان کی تقدیر کو ایک ساتھ باندھتا ہے۔ ٹیم کے مواد میں، ایک بار جب جالیوں کی جگہوں کے مقابلے موئیر جالی میں زیادہ الیکٹران موجود تھے، تو مادے کی توانائی اس وقت کم ہو گئی جب اضافی الیکٹران براڈ وے کے مرحلے میں دھند کی طرح ڈی لوکلائز ہو گئے۔ اس کے بعد انہوں نے جالی میں الیکٹرانوں کے ساتھ جوڑا بنا کر دو الیکٹران کے مجموعے بنائے جنہیں ڈوبلنز کہتے ہیں۔

یہ گھومنے پھرنے والے اضافی الیکٹران، اور جو ڈبلن وہ بناتے رہتے ہیں، اس وقت تک جالی کے اندر نہیں پھیل سکتے جب تک کہ ارد گرد کی جالیوں کی جگہوں پر موجود الیکٹران تمام گھماؤ کو سیدھ میں نہ کر لیں۔ جیسا کہ مواد نے اپنی کم ترین توانائی والی حالت کو مسلسل جاری رکھا، اس کا نتیجہ یہ نکلا کہ ڈبلن چھوٹے، مقامی فیرو میگنیٹک خطوں کو تخلیق کرنے کا رجحان رکھتے تھے۔ ایک خاص حد تک، جتنے زیادہ ڈبلن جالی سے گزرتے ہیں، مواد اتنا ہی زیادہ قابل شناخت طور پر فیرو میگنیٹک ہوتا جاتا ہے۔

اہم طور پر، ناگاوکا نے یہ نظریہ پیش کیا کہ یہ اثر اس وقت بھی کام کرے گا جب ایک جالی میں جالی کی جگہوں کے مقابلے میں کم الیکٹران ہوں گے، جو محققین نے نہیں دیکھا تھا۔ لیکن ٹیم کے نظریاتی کام کے مطابق - میں شائع فزیکل ریویو ریسرچ تجرباتی نتائج سے پہلے جون میں - یہ فرق مثلثی جالی کے ہندسی نرالا تک آتا ہے جسے انہوں نے ناگاوکا کے حسابات میں مربع ایک کے مقابلے میں استعمال کیا تھا۔

یہ ایک موئیر ہے۔

آپ جلد ہی کسی بھی وقت اپنے فریج پر کائنیٹک فیرو میگنیٹ نہیں لگا سکیں گے، جب تک کہ آپ کائنات کی سرد ترین جگہوں میں سے کسی ایک میں کھانا پکانے کا کام نہ کریں۔ محققین نے فرومیگنیٹک رویے کے لیے موئیر مادّے کا جائزہ 140 ملی کیلوِنز پر ٹھنڈ میں ڈالا۔

اماموغلو کے لیے، مادہ بہر حال ٹھوس میں الیکٹران کے رویے کی جانچ کرنے کے لیے دلچسپ نئے راستے ظاہر کرتا ہے - اور ایسی ایپلی کیشنز میں جن کا ناگاوکا صرف خواب دیکھ سکتا تھا۔ یوجین ڈیملر اور کے تعاون سے ایوان موریرا ناواروانسٹی ٹیوٹ فار تھیوریٹیکل فزکس کے نظریاتی طبیعیات دان، وہ یہ دریافت کرنا چاہتے ہیں کہ کیا موئیر میٹریل کے اندر چلنے والے حرکیاتی میکانزم کو چارج شدہ ذرات کو جوڑ بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، جو ممکنہ طور پر سپر کنڈکٹیویٹی کے لیے ایک نئے میکانزم کی طرف اشارہ کرتا ہے۔

"میں یہ نہیں کہہ رہا ہوں کہ یہ ابھی ممکن ہے،" انہوں نے کہا۔ "یہی ہے جہاں میں جانا چاہتا ہوں۔"