मैग्नोनिक्स

मैग्नोनिक्स आधुनिक चुंबकत्व का एक उभरता हुआ क्षेत्र है, जिसे आधुनिक ठोस अवस्था भौतिकी का एक उप-क्षेत्र माना जा सकता है। मैग्नोनिक्स तरंगों और चुंबकत्व के अध्ययन को जोड़ती है। इसका मुख्य उद्देश्य नैनो-संरचना तत्वों में स्पिन तरंगों के व्यवहार की जांच करना है। संक्षेप में, स्पिन तरंगें एक पदार्थ में चुंबकीयकरण के पुन: क्रम का प्रसार करती हैं और चुंबकीय क्षणों की पूर्वता से उत्पन्न होती हैं। इलेक्ट्रॉन के कक्षीय और स्पिन (भौतिकी) क्षणों से चुंबकीय क्षण उत्पन्न होते हैं, अक्सर यह स्पिन क्षण होता है जो शुद्ध चुंबकीय क्षण में योगदान देता है।

आधुनिक हार्ड डिस्क की सफलता के बाद, भविष्य के चुंबकीय चुंबकीय डेटा भंडारण और 'मैग्नोनिक' तर्क और डेटा भंडारण जैसी चीजों के लिए स्पिन तरंगों का उपयोग करने में बहुत अधिक रुचि है। इसी तरह, स्पिंट्रोनिक्स समकालीन इलेक्ट्रानिक्स  में उपयोग किए जाने वाले इलेक्ट्रॉन की पहले से ही सफल चार्ज गुण को पूरक करने के लिए स्वतंत्रता की अंतर्निहित स्पिन डिग्री का उपयोग करना चाहता है। आधुनिक चुम्बकत्व बहुत छोटे (उप-माइक्रोमीटर) लंबाई के पैमाने और बहुत तेज़ (सब-नैनोसेकंड) समय-मानों पर चुम्बकत्व के व्यवहार की समझ को आगे बढ़ाने से संबंधित है और इसे वर्तमान या नई तकनीकों और कंप्यूटिंग अवधारणाओं को सुधारने के लिए कैसे प्रयुक्त किया जा सकता है। एक मैग्नॉन टॉर्क डिवाइस का आविष्कार किया गया था और बाद में सिंगापुर के राष्ट्रीय विश्वविद्यालय के इलेक्ट्रिकल एंड कंप्यूटर इंजीनियरिंग विभाग में सिद्ध किया गया था, जो इस तरह के संभावित उपयोगों पर आधारित है, जिसके परिणाम 29 नवंबर, 2019 को विज्ञान (पत्रिका) में प्रकाशित हुए हैं।

एक मैग्नेटिक क्रिस्टल वैकल्पिक चुंबकीय गुणों के साथ एक चुंबकीय मेटामटेरियल है। पारंपरिक मेटामटेरियल्स की तरह, उनके गुण सीधे उनके बैंडसंरचना या संरचना के बजाय ज्यामितीय संरचना से उत्पन्न होते हैं। छोटी स्थानिक असमानताएँ एक प्रभावी स्थूल व्यवहार का निर्माण करती हैं, जिसके कारण प्रकृति में आसानी से नहीं पाए जाने वाले गुण होते हैं। वैकल्पिक पारगम्यता या संतृप्ति चुंबकीयकरण जैसे मापदंडों को वैकल्पिक करके, सामग्री में 'मैग्नोनिक' ऊर्जा अंतराल को अनुकूल बनाने की संभावना मौजूद है। इस बैंडगैप के आकार को ट्यून करके, बैंडगैप को पार करने में सक्षम केवल स्पिन तरंग विधि ही मीडिया के माध्यम से प्रचार करने में सक्षम होगी, जिससे कुछ स्पिन तरंग आवृत्तियों का चयनात्मक प्रसार हो सकेगा। सतह मैग्नॉन-पोलरिटोन देखें।

सिद्धांत
स्पिन तरंगें चुंबकीय माध्यम में लौह-चुंबकीय और प्रतिलौह-चुंबकीय जैसे चुंबकीय क्रम के साथ अग्रेषित कर सकती हैं। चुंबकत्व की अग्रगमन आवृत्तियाँ सामग्री और उसके चुंबकीय मापदंडों पर निर्भर करती हैं, सामान्य रूप से अग्रगमन आवृत्तियाँ 1-100 GHz से माइक्रोवेव में होती हैं, विशेष सामग्री में विनिमय अनुनाद भी कई THz तक आवृत्तियों को देख सकते हैं। यह उच्च अग्रगमन आवृत्ति एनालॉग और डिजिटल सिग्नल प्रसंस्करण के लिए नई संभावनाएं खोलती है।

कुछ किमी प्रति सेकंड के क्रम में स्पिन तरंगों का स्वयं समूह वेग होता है। एक चुंबकीय सामग्री में स्पिन तरंगों की नमी भी स्पिन लहर के आयाम को दूरी के साथ क्षय करने का कारण बनती है, जिसका अर्थ है कि स्पिन तरंगों को स्वतंत्र रूप से प्रसार करने वाली दूरी यात्रा कर सकती है, आमतौर पर केवल यह 10 माइक्रोन होती है। लैंडौ-लाइफशिट्ज-गिल्बर्ट समीकरण (एलएलजी समीकरण) में गिल्बर्ट डंपिंग स्थिरांक द्वारा डायनेमिक मैग्नेटिसेशन की भिगोना घटना के लिए हिसाब लगाया जाता है, ऊर्जा हानि तंत्र को पूरी तरह से समझा नहीं गया है, लेकिन मैग्नॉन-मैग्नॉन प्रकीर्णन, मैग्नॉन-फोनन प्रकीर्णन और एड़ी धाराओं के कारण होने वाले नुकसान से सूक्ष्म रूप से उत्पन्न होने के लिए जाना जाता है। लैंडौ-लिफ्शिट्ज-गिल्बर्ट समीकरण चुंबकीयकरण के लिए 'गति का समीकरण' है। अनुप्रयुक्त पूर्वाग्रह क्षेत्र, नमूने के विनिमय, अनिसोट्रॉपी और द्विध्रुवीय क्षेत्रों जैसे चुंबकीय प्रणालियों के सभी गुणों को एक 'प्रभावी' चुंबकीय क्षेत्र के संदर्भ में वर्णित किया गया है जो लैंडौ-लाइफशिट्ज-गिल्बर्ट समीकरण में प्रवेश करता है। चुंबकीय प्रणालियों में अवमन्दन का अध्ययन एक सतत आधुनिक शोध विषय है। LL समीकरण 1935 में लैंडौ और लाइफशिट्ज द्वारा चुंबकीयकरण की पूर्ववर्ती गति को मॉडल करने के लिए पेश किया गया था। $$\mathbf{M}$$ एक प्रभावी चुंबकीय क्षेत्र के साथ एक ठोस में $$\mathbf{H}_\mathrm{eff}$$ और अवमन्दन के साथ। बाद में, गिल्बर्ट ने अवमंदन शब्द को संशोधित किया, जो छोटे अवमंदन की सीमा में समान परिणाम देता है। एलएलजी समीकरण है,


 * $$\frac{\partial \textbf m}{\partial t}\, =\, -\gamma \,\textbf m\times \textbf{H}_{\mathrm{eff}}\, +\, \alpha\,\textbf m\times\frac{\partial \textbf m}{\partial t}\,.\qquad $$

नियत $$\alpha$$ गिल्बर्ट घटना-क्रिया अवमन्दन पैरामीटर है और ठोस पर निर्भर करता है, और $$\gamma$$ इलेक्ट्रॉन जाइरोमैग्नेटिक अनुपात है। यहाँ $$\textbf m={\textbf M}/{\mathrm M_S}\,.$$

चुंबकत्व में अनुसंधान, अवशिष्ट आधुनिक विज्ञान की तरह, सैद्धांतिक और प्रायोगिक दृष्टिकोणों के सहजीवन के साथ किया जाता है। दोनों दृष्टिकोण हाथ से जाते हैं, प्रयोग सिद्धांत की भविष्यवाणियों का परीक्षण करते हैं और सिद्धांत नए प्रयोगों की व्याख्या और भविष्यवाणियां प्रदान करता है। सैद्धांतिक पक्ष संख्यात्मक मॉडलिंग और अनुकरण पर केंद्रित है, तथाकथित सूक्ष्मचुंबकीय मॉडलिंग। ओओएमएमएफ या एनएमएजी जैसे कार्यक्रम सूक्ष्म चुंबकीय समाधानकर्ता हैं जो उचित सीमा शर्तों के साथ एलएलजी समीकरण को संख्यात्मक रूप से हल करते हैं। अनुकरण की शुरुआत से पहले, प्रतिरूप के चुंबकीय पैरामीटर और प्रारंभिक आधारभूत चुंबकीयकरण और पूर्वाग्रह क्षेत्र विवरण बताए गए हैं।

प्रयोग
प्रायोगिक रूप से, चुंबकीय परिघटनाओं का अध्ययन करने के लिए कई तकनीकें मौजूद हैं, जिनमें से प्रत्येक की अपनी सीमाएं और फायदे हैं। प्रायोगिक तकनीकों को समय क्षेत्र  (ऑप्टिकल और फील्ड पंप TR-MOKE), फील्ड-डोमेन (फेरोमैग्नेटिक रेजोनेंस (FMR)) और  आवृत्ति डोमेन  तकनीक (ब्रिलॉइन लाइट स्कैटरिंग (BLS), वेक्टर नेटवर्क एनालाइजर - फेरोमैग्नेटिक) के रूप में पहचाना जा सकता है। प्रतिध्वनि (VNA-FMR))। टाइम-डोमेन तकनीकें नमूने के ध्रुवीकरण (तरंगों) की प्रतिक्रिया को रिकॉर्ड करके अप्रत्यक्ष रूप से चुंबकीयकरण के अस्थायी विकास की अनुमति देती हैं। तथाकथित 'केर' रोटेशन द्वारा चुंबकीयकरण का अनुमान लगाया जा सकता है। FMR जैसी फील्ड-डोमेन तकनीक CW माइक्रोवेव फील्ड के साथ मैग्नेटाइजेशन को गुदगुदी करती है। नमूने के माध्यम से माइक्रोवेव विकिरण के अवशोषण को मापने के द्वारा, एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बह गया है, नमूने में चुंबकीय अनुनादों के बारे में जानकारी प्रदान करता है। महत्वपूर्ण बात यह है कि जिस आवृत्ति पर चुंबकीयकरण पूर्ववर्ती होता है वह लागू चुंबकीय क्षेत्र की ताकत पर निर्भर करता है। जैसे-जैसे बाहरी क्षेत्र की ताकत बढ़ती है, वैसे-वैसे पुरस्सरण आवृत्ति भी बढ़ती जाती है। वीएनए-एफएमआर जैसी फ्रीक्वेंसी-डोमेन तकनीकें, आरएफ करंट द्वारा उत्तेजना के कारण चुंबकीय प्रतिक्रिया की जांच करती हैं, करंट की आवृत्ति गीगाहर्ट्ज रेंज के माध्यम से बह जाती है और या तो प्रेषित या परावर्तित धारा के आयाम को मापा जा सकता है।

आधुनिक अल्ट्राफास्ट लेजर टाइम-डोमेन तकनीकों के लिए फेमटोसेकंड (एफएस) टेम्पोरल रिज़ॉल्यूशन की अनुमति देते हैं, ऐसे उपकरण अब प्रयोगशाला वातावरण में मानक हैं। मैग्नेटो-ऑप्टिक केर प्रभाव के आधार पर, TR-MOKE एक पंप-जांच तकनीक है जहां एक स्पंदित लेजर स्रोत दो अलग-अलग लेजर बीम के साथ नमूने को रोशन करता है। 'पंप' बीम को नमूना को संतुलन से उत्तेजित करने या परेशान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, यह नमूना सामग्री के भीतर अत्यधिक गैर-संतुलन स्थितियों को बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करता है, और इसके बाद फोनन और स्पिन सिस्टम। उच्च ऊर्जा पर स्पिन-वेव राज्य उत्तेजित होते हैं और बाद में अपने विश्राम पथ के दौरान निचले स्तर के राज्यों को आबाद करते हैं। एक बहुत कमजोर बीम जिसे 'प्रोब' बीम कहा जाता है, को चुंबकीय सामग्री की सतह पर पंप बीम के साथ स्थानिक रूप से ओवरलैप किया जाता है। प्रोब बीम को डिले लाइन के साथ पास किया जाता है, जो प्रोब पाथ की लंबाई बढ़ाने का एक यांत्रिक तरीका है। जांच पथ की लंबाई बढ़ने से, यह पंप बीम के संबंध में विलंबित हो जाता है और बाद में नमूना सतह पर आता है। प्रयोग में विलंब दूरी को बदलकर समय-संकल्प बनाया जाता है। जैसे ही विलंब रेखा की स्थिति में कदम रखा जाता है, परावर्तित बीम गुणों को मापा जाता है। मापा गया केर रोटेशन डायनेमिक मैग्नेटिसेशन के समानुपाती होता है क्योंकि स्पिन-वेव्स मीडिया में फैलती हैं। टेम्पोरल रिज़ॉल्यूशन केवल लेज़र पल्स की टेम्पोरल चौड़ाई द्वारा सीमित होता है। यह अल्ट्राफास्ट ऑप्टिक्स को एक स्थानीय स्पिन-वेव उत्तेजना के साथ जोड़ने और मैग्नेटिक मेटामेट्रीज़, photomagnics  में मुक्त पहचान से संपर्क करने की अनुमति देता है।