गर्मी अब दुश्मन नहीं रहेगी! वैज्ञानिकों ने चुंबकीय सामग्री की पुरानी पहेली सुलझाई
The findings have broad technological implications. Efficient heat management is essential for the reliable operation of high-power spintronic devices, magnetic memory elements, and future quantum technologies. The ability to tune thermal transport through magnetic degrees of freedom offers a fundamentally new approach to designing materials with controllable heat flow, potentially enabling devices that are both faster and more energy efficient.
-By- Jyoti Rawat-
सामान्य सेमीकंडक्टरों में तापमान बढ़ने पर थर्मल चालकता यानी ऊष्मा संचालन क्षमता कम हो जाती है। इसका मुख्य कारण होता है कि ऊष्मा ले जाने वाले लैटिस कंपन (फोनॉन) एक-दूसरे से ज्यादा टकराते हैं, जिससे उनकी गति बाधित होती है। लेकिन कुछ मैग्नेटिक सेमीकंडक्टर, जैसे क्रोमियम नाइट्राइड (CrN), इस सामान्य नियम को तोड़ते हैं। इनमें चुंबकीय संक्रमण तापमान (नील तापमान या Néel temperature) से ऊपर थर्मल चालकता में असामान्य रूप से वृद्धि देखी जाती है। CrN एक ऐसा ही पदार्थ है, जो कोटिंग्स और इलेक्ट्रॉनिक उपयोगों में पहले से ही प्रसिद्ध है, लेकिन इसकी यह विचित्र ऊष्मीय विशेषता अब तक रहस्य बनी हुई थी।
जेएनसीएएसआर के शोध दल की महत्वपूर्ण खोज
जवाहरलाल नेहरू उन्नत वैज्ञानिक अनुसंधान केंद्र (जेएनसीएएसआर), बेंगलुरु में प्रोफेसर बिवास साहा के नेतृत्व में एक अंतरराष्ट्रीय शोध टीम ने इस रहस्य को सुलझाया है। उन्होंने प्रत्यक्ष प्रयोगों से साबित किया कि मैग्नेटिक सेमीकंडक्टरों में ऊष्मा प्रवाह को नियंत्रित करने में फोनॉन और चुंबकीय स्पिन उतार-चढ़ाव (spin fluctuations) के बीच मजबूत अंतःक्रिया मुख्य भूमिका निभाती है। टीम ने अत्याधुनिक इनलैस्टिक एक्स-रे स्कैटरिंग तकनीक का इस्तेमाल करके उच्च गुणवत्ता वाली CrN पतली फिल्मों में फोनॉन की जीवन अवधि (lifetime) को विभिन्न तापमानों पर मापा।
फोनॉन और स्पिन की परस्पर क्रिया कैसे काम करती है
प्रयोगों से पता चला कि नील तापमान (लगभग 277 K) के आसपास ऐकॉस्टिक फोनॉन (जो ऊष्मा के मुख्य वाहक होते हैं) स्पिन उतार-चढ़ाव से तेजी से टकराते हैं, जिससे उनकी जीवन अवधि बहुत कम हो जाती है और थर्मल चालकता न्यूनतम स्तर पर पहुंच जाती है। लेकिन जैसे-जैसे तापमान और बढ़ता है तथा चुंबकीय व्यवस्था कमजोर पड़ती है, स्पिन उतार-चढ़ाव का प्रभाव घटता है। नतीजतन ऐकॉस्टिक फोनॉन की जीवन अवधि असामान्य रूप से बढ़ जाती है, जिससे ऊष्मा अधिक आसानी से बहने लगती है और थर्मल चालकता में वृद्धि होती है। इसके विपरीत, ऑप्टिकल फोनॉन सामान्य व्यवहार दिखाते हैं और तापमान बढ़ने पर उनकी जीवन अवधि घटती है, क्योंकि वे स्पिन से प्रभावित नहीं होते। यह स्पष्ट अंतर स्पिन-फोनॉन अंतःक्रिया की भूमिका को प्रमाणित करता है।
इन प्रयोगात्मक निष्कर्षों को उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन और प्रथम-सिद्धांत गणनाओं ने भी मजबूती से समर्थन दिया, जिससे पूरी सूक्ष्म प्रक्रिया समझ में आ गई।
प्रौद्योगिकी के लिए नए द्वार खुलना
प्रोफेसर बिवास साहा के अनुसार, यह पहली बार है जब स्पिन उतार-चढ़ाव को बढ़ी हुई थर्मल चालकता से जोड़ने वाला प्रत्यक्ष प्रमाण मिला है। स्पिन और लैटिस की इस अंतःक्रिया को समझने से स्पिनट्रॉनिक्स, मैग्नेटिक मेमोरी और क्वांटम डिवाइसेज में ऊष्मा प्रबंधन के नए तरीके विकसित किए जा सकते हैं, जहां गर्मी का अपव्यय एक बड़ी चुनौती रहती है। चुंबकीय डिग्री की स्वतंत्रता से ऊष्मा प्रवाह को नियंत्रित करने की क्षमता से अधिक ऊर्जा-कुशल, तेज और विश्वसनीय डिवाइस बनाए जा सकते हैं।
यह शोध जेएनसीएएसआर के साथ आईआईएसईआर तिरुवनंतपुरम, स्वीडन के लिंकोपिंग विश्वविद्यालय और जापान-जर्मनी के प्रमुख सिंक्रोट्रॉन केंद्रों के सहयोग से पूरा हुआ। निष्कर्ष साइंस एडवांसेज पत्रिका में जनवरी 2026 में प्रकाशित हुए (DOI: 10.1126/sciadv.adw7332), जो भारत के सामग्री विज्ञान में बढ़ते योगदान को दर्शाते हैं। यह खोज न केवल संघनित पदार्थ भौतिकी की एक दशक पुरानी पहेली हल करती है, बल्कि उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक्स और चुंबकीय प्रणालियों के भविष्य को नई दिशा भी देती है।