भौतिकशास्त्रज्ञांनी प्रकाश-चालित अणु कंपनांचा वापर करून 'ऑक्टुपोलर' चुंबकत्व शोधले

दैनंदिन जीवनात लोक वापरत असलेले बहुतेक चुंबक साधे द्वि-ध्रुवीय असतात: एक उत्तर आणि एक दक्षिण, एक धन आणि एक ऋण. ही परिचित रचना, ज्याला द्विध्रुव म्हणतात, रेफ्रिजरेटर चुंबकांपासून ते हार्ड ड्राइव्हमधील रीड हेडपर्यंत सर्व गोष्टींचा पाया आहे. परंतु क्वांटम यांत्रिकी परिपक्व होत गेल्यावर, संशोधकांनी शोधून काढले की काही स्फटिकी पदार्थांमध्ये चुंबकत्व अधिक विचित्र स्वरूप धारण करू शकते, ज्यामध्ये "ऑक्टुपोलर क्रम" समाविष्ट आहे, ज्यामध्ये कणांची जाळी सामूहिकपणे अशा प्रकारे वागते जणू ती नेहमीच्या दोनऐवजी आठ चुंबकीय ध्रुव वाहून नेते.

या उच्च-क्रमाच्या चुंबकीय अवस्थांमधील अडचण ही आहे की त्यांचे निरीक्षण अत्यंत कठीण आहे. त्यांचा निव्वळ चुंबकीय क्षण बऱ्याचदा रद्द होतो, ज्यामुळे पारंपरिक प्रायोगिक साधने पदार्थात सुरुवातीपासूनच उपस्थित असलेल्या क्रमाप्रति प्रभावीपणे आंधळी राहतात. टोरोंटो विद्यापीठातील क्वांटम भौतिकशास्त्रज्ञांच्या एका संघाने आता इलेक्ट्रॉन फिरताना निर्माण होणाऱ्या अणु कंपनांचा शोध घेण्यासाठी प्रकाशाचा वापर करून अशा लपलेल्या अवस्था शोधण्याची पद्धत प्रदर्शित केली आहे. Physical Review Letters मध्ये प्रकाशित झालेल्या या अभ्यासाचे वर्णन त्याच्या लेखकांनी पुढील पिढीच्या डेटा स्टोरेज आणि संगणकीय हार्डवेअरमध्ये मल्टिपोलर चुंबकत्वाचा वापर करण्याच्या दिशेने एक महत्त्वाचे पहिले पाऊल असे केले आहे.

सामान्य उपकरणे पाहू शकत नाहीत असा चुंबकीय क्रम

पाठ्यपुस्तकातील चुंबकत्व एक सरळ चित्र गृहीत धरते: प्रत्येक चुंबकीय अणू सूक्ष्म बार चुंबकासारखा वागतो, आणि त्या बारच्या सामूहिक संरेखनामुळे आपण पाहत असलेले परिणाम निर्माण होतात. मल्टिपोलर चुंबकत्व हे चित्र मोडते. ध्रुवांच्या साध्या जोडीऐवजी, स्फटिकातील कणांची मांडणी अधिक गुंतागुंतीची भौमितिक ओळख निर्माण करते — ऑक्टुपोलर बाबतीत, ती अशी वाचली जाते जणू संरचनेत आठ ध्रुव वितरित केले आहेत.

ध्रुव सममितीयपणे मांडलेले असल्याने, त्यांचे योगदान अशा प्रकारे रद्द होऊ शकतात की मानक चुंबकीय मोजमापांपासून अंतर्निहित क्रम लपतो. टोरोंटो विद्यापीठातील भौतिकशास्त्र विभाग आणि क्वांटम माहिती व क्वांटम नियंत्रण केंद्रातील प्राध्यापक तसेच या कामाचे वरिष्ठ लेखक अरुण परमेकांती यांनी आव्हान स्पष्टपणे मांडले: संघाने लपलेल्या चुंबकीय अवस्थेची अशी चिन्हे ओळखली जी सामान्य प्रोब्स वापरून शोधता येत नाहीत.

ही अदृश्यता हा या क्षेत्रातील मुख्य अडथळा आहे. विश्वासार्हपणे वाचता येऊ शकत नाही अशी चुंबकीय अवस्था ही विश्वासार्हपणे वापरता येऊ शकत नाही अशी चुंबकीय अवस्था आहे, तिचे सैद्धांतिक गुणधर्म कितीही आशादायक असले तरी.

चिरल फोनॉन्स ऐकण्यासाठी प्रकाशाचा वापर

टोरोंटोच्या संशोधकांनी या समस्येकडे अप्रत्यक्षपणे पाहिले. चुंबकीय क्रम थेट मोजण्याचा प्रयत्न करण्याऐवजी, त्यांनी एका स्फटिकी पदार्थावर प्रकाश टाकला आणि त्याच्या अणु संरचनेत अत्यंत सूक्ष्म कंपने निर्माण केली. ती कंपने पारंपरिक तंत्रे चुकवतात अशा चुंबकीय नमुन्यांबद्दल माहिती वाहतात, असे त्यांना आढळले.

संघाने ज्या विशिष्ट कंपन-ऊर्जा पॅकेट्सवर लक्ष केंद्रित केले त्यांना फोनॉन्स म्हणतात, जे घन पदार्थाच्या स्फटिक जाळीतून ताणलेल्या दोरीवर लहर प्रवास करते त्याप्रमाणे प्रवास करतात. यापैकी, संशोधकांनी चिरल फोनॉन्स निवडले: असे कंपन मोड जे स्वतःच्या आरशातील प्रतिमेशी जुळत नाहीत.

हस्तत्व का महत्त्वाचे आहे

चिरल हा शब्द ग्रीकमधील हात या अर्थाच्या शब्दावरून आला आहे, आणि ही उपमा योग्य आहे. डावा हात उजव्या हातावर स्वच्छ बसू शकत नाही, जरी दोन्ही एकमेकांच्या आरशातील प्रतिमा असल्या तरी. चिरल फोनॉन्समध्ये नेमके याच प्रकारचे हस्तत्व असते, आणि हाच गुणधर्म जाळीतील अन्यथा अदृश्य चुंबकीय मांडणीशी जोडलेला दिसतो.

प्रकाश या हस्त-कंपनांशी कसा संवाद साधतो हे पाहून, संघ पारंपरिक मोजमापात स्पष्ट पुरावा न सोडणाऱ्या चुंबकीय क्रमाच्या उपस्थितीचा निष्कर्ष काढू शकला. ही पद्धत प्रभावीपणे स्फटिकाच्या स्वतःच्या अणु गतीला अन्यथा लपलेल्या राहिल्या असत्या अशा अवस्थेसाठी सेन्सर बनवते.

वाचन-लेखन मेमरी आणि क्वांटम उपकरणांकडे

उच्च-क्रमाच्या चुंबकत्वाचे व्यावहारिक आकर्षण नियंत्रणात आहे. जर चुंबकीय अवस्था विश्वासार्हपणे बदलता आणि परत वाचता आली, तर ती बिट म्हणून काम करू शकते. मल्टिपोलर क्रम आकर्षक उमेदवार आहेत कारण ते काही प्रकारच्या व्यत्ययांपासून मजबूत असतात आणि तरीही तत्त्वतः बदलण्यायोग्य असतात.

परमेकांती यांनी नमूद केले की हे संशोधन अनेक अनुप्रयोगांमध्ये उच्च-क्रमाच्या चुंबकांचा वापर करण्याची शक्यता उघडते, ज्यामध्ये दैनंदिन संगणकांमध्ये आढळणाऱ्या नियंत्रणीय वाचन-लेखन मेमरी घटकांचा समावेश आहे. संघाने आणि व्यापक क्षेत्राने ओळखलेल्या संभाव्य दिशांमध्ये हे समाविष्ट आहे:

• अशा मेमरी सेल ज्यांची चुंबकीय अवस्था पारंपरिक क्षेत्र संवेदनाऐवजी ऑप्टिकल किंवा कंपन-आधारित चिन्हांद्वारे वाचली आणि लिहिली जाते.
• अशा डेटा स्टोरेज आर्किटेक्चर जे एकाच पदार्थात अधिक वेगळे करता येणारे अवस्था भरण्यासाठी मल्टिपोलर क्रमाचा वापर करतात.
• अशा क्वांटम तंत्रज्ञान जे स्फटिकी घन पदार्थांमधील दीर्घायुषी, सुसंरक्षित अंतर्गत अवस्थांवर अवलंबून असतात.
• असे संगणकीय घटक ज्यांमध्ये स्विचिंग प्रकाश-प्रेरित जाळी कंपनांद्वारे चालवले जाते.

यापैकी कोणताही अनुप्रयोग जवळपास नाही. टोरोंटोचा निकाल शोधाशी संबंधित आहे — लपलेला क्रम अजिबात पाहता येतो हे स्थापित करणे — कार्यरत उपकरणाच्या अभियांत्रिकीशी नाही. परंतु शोध हे पूर्वअट पाऊल आहे: विश्वासार्ह रीडआउट यंत्रणेशिवाय, ऑक्टुपोलर क्रमावर आधारित कोणत्याही मेमरी किंवा लॉजिक घटकाची रचना अंदाजावर आधारित असेल.

खुली प्रश्ने आणि पुढील वाट

मल्टिपोलर चुंबकत्व भौतिकशास्त्र प्रयोगशाळेतून व्यावहारिक तंत्रज्ञानाकडे जाण्यापूर्वी अनेक प्रश्न शिल्लक आहेत. संशोधकांना हे ठरवावे लागेल की वेगवेगळ्या पदार्थांमध्ये आणि तापमानांमध्ये चिरल फोनॉन चिन्हे किती मजबूत आहेत, ती उपयुक्त बनवणारा क्रम नष्ट न करता अवस्था किती वेगाने बदलता येते, आणि तेच ऑप्टिकल प्रोब वाचनाबरोबरच लेखनासाठीही जुळवता येते का.

या कामाचे व्यापक महत्त्व पद्धतशीर आहे. अनेक वर्षे मल्टिपोलर चुंबकीय क्रमांचा अंदाज लावला गेला आणि त्यावर चर्चा झाली, कारण ते प्रायोगिकदृष्ट्या पुष्टी करणे अत्यंत कठीण होते. प्रकाश-चालित कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी ऑक्टुपोलर अवस्था उघड करू शकते हे दाखवून संशोधकांना त्या अंदाजांची थेट चाचणी करण्यासाठी नवे साधन मिळाले आहे.

सध्या, हा निकाल एका विद्यापीठीय क्वांटम भौतिकशास्त्र गटाकडून, सहकर्मी-पुनरावलोकित जर्नलमध्ये प्रकाशित तत्त्वाचा पुरावा म्हणून उभा आहे. त्याचे महत्त्व कोणत्याही एका उपकरणापेक्षा या वस्तुस्थितीत अधिक आहे की चुंबकत्वाचे एक लपलेले स्वरूप दृश्यमान केले गेले आहे — आणि चुंबकत्वाचे लपलेले स्वरूप, एकदा दृश्यमान झाल्यावर, अभियंते ज्याचे नियंत्रण करण्याचा विचार सुरू करू शकतात अशी गोष्ट बनते.

हा लेख Phys.org च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.