वैज्ञानिकों ने चुंबकीय अर्धचालकों में ऊष्मा के प्रवाह की प्रक्रिया का पता लगाया है, एक ऐसी खोज जिससे स्पिनट्रॉनिक उपकरणों, चुंबकीय मेमोरी सिस्टम और क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स जैसी अगली पीढ़ी की प्रौद्योगिकियों के डिजाइन में सुधार हो सकता है।

इस अभूतपूर्व शोध ने संघनित पदार्थ भौतिकी में एक लंबे समय से चली आ रही पहेली को सुलझा दिया है और उच्च-प्रदर्शन वाले इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में थर्मल प्रबंधन के लिए नए दृष्टिकोणों को सक्षम कर सकता है।

पारंपरिक अर्धचालकों में, तापमान बढ़ने पर तापीय चालकता आमतौर पर घटती है क्योंकि उच्च तापमान पर जाली कंपन—जिन्हें फोनन कहा जाता है, जो ऊष्मा के मुख्य वाहक होते हैं—अधिक तीव्रता से बिखरते हैं। हालांकि, कुछ चुंबकीय अर्धचालक एक असामान्य व्यवहार प्रदर्शित करते हैं जहां पदार्थ के चुंबकीय संक्रमण तापमान को पार करने के बाद तापीय चालकता बढ़ जाती है।

क्रोमियम नाइट्राइड (CrN) ऐसी ही एक सामग्री है, जिसका व्यापक रूप से कोटिंग्स और इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक इसके असामान्य ऊष्मा परिवहन व्यवहार के पीछे की सूक्ष्म क्रियाविधि को समझाने के लिए संघर्ष कर रहे थे।

बेंगलुरु स्थित जवाहरलाल नेहरू उन्नत वैज्ञानिक अनुसंधान केंद्र (जेएनसीएएसआर) में प्रोफेसर बिवास साहा के नेतृत्व में एक शोध दल ने अब इस घटना की व्याख्या करने वाले प्रत्यक्ष प्रायोगिक प्रमाण प्रस्तुत किए हैं। वैज्ञानिकों ने पाया कि फोनोन और चुंबकीय स्पिन उतार-चढ़ाव के बीच मजबूत अंतःक्रियाएं पदार्थ के माध्यम से ऊष्मा के संचरण को नियंत्रित करने में केंद्रीय भूमिका निभाती हैं।

तापमान पर निर्भर उन्नत अप्रत्यास्थ एक्स-रे प्रकीर्णन तकनीकों का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने चुंबकीय चरण संक्रमण के दौरान उच्च गुणवत्ता वाली क्रोमियम नाइट्राइड पतली फिल्मों में फोनन जीवनकाल को मापा। प्रयोगों ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि कैसे जाली कंपन चुंबकीय उत्तेजनाओं के साथ परस्पर क्रिया करते हैं क्योंकि पदार्थ एक व्यवस्थित चुंबकीय अवस्था से अव्यवस्थित अवस्था में परिवर्तित होता है।

परिणामों से पता चला कि ध्वनिक फोनोन—जो ऊष्मा के प्राथमिक वाहक हैं—नील तापमान के निकट तीव्र अवमंदन का अनुभव करते हैं, जहाँ चुंबकीय क्रम में परिवर्तन होता है। जैसे-जैसे तापमान और बढ़ता है और चुंबकीय क्रम कमजोर होता जाता है, फोनोन का जीवनकाल अप्रत्याशित रूप से बढ़ जाता है, जिससे उच्च तापीय चालकता उत्पन्न होती है। इसके विपरीत, प्रकाशीय फोनोन पारंपरिक तापमान-निर्भर व्यवहार का पालन करते पाए गए।

उन्नत स्पिन-डायनामिक्स सिमुलेशन और प्रथम-सिद्धांत गणनाओं द्वारा निष्कर्षों को और अधिक समर्थन मिला, जिन्होंने मिलकर सामग्री में चुंबकीय उतार-चढ़ाव और ताप चालन के बीच संबंध की पुष्टि की।

प्रोफेसर साहा के अनुसार, चुंबकीय स्पिन और जाली कंपन के बीच की परस्पर क्रिया को समझने से उन्नत उपकरणों में गर्मी के प्रबंधन के लिए नई संभावनाएं खुलती हैं।

स्पिनट्रॉनिक प्रोसेसर, चुंबकीय मेमोरी सिस्टम और उभरते क्वांटम उपकरणों जैसी तकनीकों के लिए कुशल ऊष्मा अपव्यय अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इन क्षेत्रों में अत्यधिक गर्मी प्रदर्शन और विश्वसनीयता को सीमित कर सकती है। चुंबकीय गुणों के माध्यम से तापीय परिवहन को नियंत्रित करने की क्षमता शोधकर्ताओं को समायोज्य ऊष्मा प्रवाह वाली सामग्री डिजाइन करने में सक्षम बना सकती है, जिससे तेज और अधिक ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स का निर्माण संभव हो सकेगा।

यह अध्ययन जेएनसीएएसआर, आईआईएसईआर तिरुवनंतपुरम, स्वीडन में लिंकोपिंग विश्वविद्यालय और जापान में एसपीआरिंग-8 और जर्मनी में डीईएसवाई सहित अंतरराष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं के बीच सहयोग के माध्यम से किया गया था।

ये निष्कर्ष हाल ही में साइंस एडवांसेज नामक पत्रिका में प्रकाशित हुए थे, जो उन्नत सामग्री अनुसंधान में भारत के बढ़ते योगदान को उजागर करते हैं।