आयआयटी मुंबई आणि टीआयएफआर येथील संशोधकांनी इलेक्ट्रॉन आभ्रामामुळे तयार होणाऱ्या उष्णतेचे रूपांतर विदयुतप्रवाहात करण्याच्या पद्धतीचे प्रात्यक्षिक दिले आहे.
तुम्ही हा लेख वाचण्यासाठी वापरत असलेला संगणक किंवा मोबाईल फोन, तुमच्या हॉलमधला टीव्ही, स्वयंपाकघरातला मायक्रोवेव्ह ओव्हन आणि अशा अनेक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांशिवाय आजच्या आधुनिक जगात आयुष्याची कल्पनाही करता येत नाही ! पण लवकरच नव्या दमाची स्पिनट्रॉनिक उपकरणे या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची जागा घेण्याची शक्यता आहे. इलेक्ट्रॉनच्या स्पिन किंवा आभ्राम या क्वांटम यांत्रिक गुणधर्माचा वापर करून ही उपकरणे तयार केली जातील. नवीन अभ्यासानुसार भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) आणि टाटा मूलभूत संशोधन संस्था (टाटा इन्स्टिट्यूट ऑफ फंडामेंटल रिसर्च - टीआयएफआर) येथील संशोधकांनी असे दाखवून दिले आहे की उष्णतेचे रूपांतर ‘स्पिन करंट’ किंवा ‘आभ्राम विद्युतप्रवाहात’ करता येते. त्यांच्या कामाची दखल घेत अप्लाइड फिजिक्स लेटर्स या नियतकालिकाने या कामावर आधारित मुखपृष्ठ केले आहे.
स्पिन होण्याचा इलेक्ट्रॉन्सचा गुणधर्म सर्वप्रथम १९२० मध्ये ओटो स्टर्न आणि वॉल्थर गेरलाख या जर्मन शास्त्रज्ञानी शोधून काढला. त्यांना असे दिसले की, बाह्य चुंबकीय क्षेत्र तयार केले असता इलेक्ट्रॉनचे गुणधर्म हे जणू काही अक्षाभोवती फिरत असल्यासारखे असतात. इलेक्ट्रॉन स्वतःच्या अक्षाभोवती फिरला असता जसे गुणधर्म दिसतील तसेच इथे दिसून येतात मात्र इथे भोवरा फिरतो तास इलेक्ट्रॉन प्रत्यक्ष फिरत मात्र नाही. घड्याळाच्या उलट दिशेने फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्सना ‘स्पिन-अप’ तर घड्याळाच्या दिशेने फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्सना ‘स्पिन-डाऊन’ म्हणतात.
वरील अभ्यासात संशोधकांनी “स्पिन नर्न्स्ट परिणामाचा” प्रत्यक्ष प्रयोगातून आलेला दाखला दिला आहे. नोबेल पारितोषिक विजेते वॉल्थर नर्न्स्ट यांच्यावरून हे नाव देण्यात आले आहे. अचुंबकीय पदार्थाच्या दोन टोकांच्या तापमानात जर फरक असेल तर वेगवेगळा स्पिन असलेले इलेक्ट्रॉन्स उष्णतेच्या वहनाच्या दिशेला काटकोनात असलेल्या अक्षात, विरुद्ध दिशेने जातात.
अप्लाईड फिजिक्स लेटर्स या नियतकालिकात प्रसिद्ध झालेल्या अभ्यासलेखाचे लेखक-आयआयटी मुंबईतील प्राध्यापक श्री. तुळापुरकर असे म्हणतात की, “संगणक, मोबाईल फोन इत्यादी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सेमीकंडक्टर चीप्स विद्युत क्षेत्राच्या परिणामामुळे होणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्सच्या हालचालींवर आधारलेल्या असतात. ही उपकरणे केवळ इलेक्ट्रॉनचा विद्युतभार आणि वस्तुमान याचाच वापर करून घेतात आणि इलेक्ट्रॉन्सच्या स्पिनकडे मात्र दुर्लक्ष करतात. स्पिनट्रॉनिक्समध्ये (स्पिन+इलेक्ट्रॉनिक्स) मात्र इलेक्ट्रॉनच्या स्पिनचा वापर करून उपकरणांची कार्यक्षमता वाढवली जाते तसेच उपकरणाला लागणारी उर्जादेखील कमी केली जाते.”
आयआयटी मुंबई येथील नॅनो फॅब्रिकेशन सुविधा वापरून संशोधकांनी हा प्रयोग केला. या प्रयोगात त्यांनी प्लॅटीनम तापवून त्यातील स्पिन-अप आणि स्पिन-डाऊन इलेक्ट्रॉन्स एकमेकांपासून किती विलग होतात ते मोजले. त्यासाठी त्यांनी प्लॅटीनमच्या दांड्याच्या वरच्या आणि खालच्या टोकाला एका चुंबकीय पदार्थाचे आवरण लावले. त्यामुळे इलेक्ट्रॉन्सचा स्पिन ओळखणे शक्य होते. हा प्लॅटीनमचा दांडा मध्यभागी तापवल्यावर प्लॅटीनममध्ये होणाऱ्या उष्णतेच्या वहनाने स्पिन-अप आणि स्पिन-डाऊन इलेक्ट्रॉन्स विलग होऊन विरुद्ध दिशेला जाऊ लागले. इलेक्ट्रॉन्सची ही हालचाल वरच्या आणि खालच्या टोकाच्या व्होल्टेजमधील फरकाच्या रूपाने मोजता आली.
या संशोधनाचे महत्त्व विशद करताना, शोधनिबंधाचे लेखक आणि आयआयटी मुंबई येथील पीएचडीचे विद्यार्थी श्री अर्णब बोस म्हणतात की, “केवळ लोहचुंबक तापवल्याने किंवा त्यातून विद्युतप्रवाह गेल्यानेच स्पिन करंट तयार होतो अशी पूर्वी समजूत होती. पण उष्णतेमुळे अचुंबकीय पदार्थातदेखील स्पिन करंट तयार होतो असे महत्त्वाचे निरीक्षण आम्ही नोंदवले आहे. आमचे हे काम अनेक ठिकाणी महत्त्वाचे ठरणार आहे. त्याचबरोबर, मूलभूत भौतिकशास्त्राच्या दृष्टीने विचार करतादेखील ते अतिशय महत्त्वाचे आहे.”
संशोधकांचे असे म्हणणे आहे की, उर्जेचा कार्यक्षम वापर करणाऱ्या, आकाराने लहान अशा उपकरणांमध्ये डिजिटल डेटा साठवण्याच्या दृष्टीने महत्त्वाच्या अॅप्लीकेशनचे एक नवीनच क्षेत्र या संशोधनाने खुले होणार आहे. स्पिन-अप आणि स्पिन-डाऊन स्थिती वापरून माहितीचे संकेतन (एनकोडिंग) करता येते ही यामागची मूळ कल्पना आहे.
“मेमरी सेलच्या जुळणीत चुंबकीय क्षेत्राची दिशा वरून खाली किंवा खालून वरती बदलली जाते. हे काम स्पिन करंट वापरून कार्यक्षम पद्धतीने करता येते. हा स्पिन करंट वाया जाणाऱ्या उष्णतेच्या मदतीने (इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांनी बाहेर टाकलेली उष्णता) स्पिन नर्न्स्ट परिणाम वापरून तयार करता येतो. तेव्हा चुंबकीय मेमरीत लिहिण्यासाठी स्पिन नर्न्स्ट परिणामाचा वापर होऊ शकतो.” असे श्री तुळापूरकर म्हणतात.