फ़ोटोएक्साइटेशन के माध्यम से इलेक्ट्रॉनिक्स को नियंत्रित करना – क्या मैग्नेटाइट अगली पीढ़ी के उपकरणों को लाएगा?

स्पिन्ट्रॉनिक्स की संभावनाएँ

ट्रांजिस्टर जैसे इलेक्ट्रॉनिक घटक आम तौर पर सिलिकॉन जैसे अर्धचालकों से बनाए जाते हैं। बाइनरी संकेत 0 और 1 को अलग-अलग विद्युत अवस्थाओं से दर्शाया जाता है। स्पिन्ट्रॉनिक्स में इलेक्ट्रॉन के आवेश के साथ उसके स्पिन, यानी एक मूलभूत क्वांटम गुण, का भी उपयोग होता है।

स्पिन्ट्रॉनिक्स के पास पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक सिस्टमों की तुलना में कुछ फायदे हैं, जिनमें शामिल हैं:

• तेज़ डेटा प्रसंस्करण की संभावना, क्योंकि स्पिन की अवस्था बहुत जल्दी बदली जा सकती है।
• कुछ उपकरणों में कम ऊर्जा खपत की संभावना; वास्तविक लाभ उपकरण की बनावट और उपयोग पर निर्भर करता है।
• कुछ अनुप्रयोगों में जटिल अर्धचालक संरचनाओं के बजाय चुंबकीय धातुओं का उपयोग संभव है।

स्पिन्ट्रॉनिक्स का उपयोग हार्ड ड्राइव में होता है और इसने पिछले दशक में भंडारण क्षमता बढ़ाने में योगदान दिया है।

स्पिन्ट्रॉनिक्स में उपयोग की जाने वाली एक सामग्री है मैग्नेटाइट, जो ऑक्सीजन और लोहे की दो अलग-अलग ऑक्सीकरण अवस्थाओं से बना प्राकृतिक खनिज है।

स्रोत: Britannica

मैग्नेटाइट के चुंबकीय गुण बहुत पहले से ज्ञात हैं, लेकिन इसके बारे में अभी भी नई बातें सीखी जा रही हैं।

स्विट्ज़रलैंड के EPFL के शोधकर्ताओं ने पाया कि लेज़र मैग्नेटाइट में पहले अज्ञात, असंतुलित अवस्थाएँ उत्पन्न कर सकते हैं। भविष्य में इससे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के नए तरीकों का विकास हो सकता है।

मैग्नेटाइट के छिपे हुए गुण

शोधकर्ताओं ने मैग्नेटाइट के धातु से विद्युतरोधी अवस्था में बदलने के गुण का अध्ययन किया। लगभग 125 K पर होने वाले इस वेरवे संक्रमण में इसके विद्युत और संरचनात्मक गुण बदलते हैं। यह एक अवस्था संक्रमण है, जिसमें सामग्री के गुण अचानक बदलते हैं, जैसे पानी के बर्फ बनने पर होता है।

उन्होंने 800 nm की निकट-अवरक्त और 400 nm की दृश्य प्रकाश वाली लेज़र पल्सों का उपयोग किया। इनसे मैग्नेटाइट में पहले पहचानी नहीं गई अवस्थाएँ उत्पन्न हुईं।

ये परिवर्तन अत्यंत कम समय में होते हैं। इन्हें देखने के लिए शोधकर्ताओं ने अतितीव्र इलेक्ट्रॉन विवर्तन (UED) तकनीक का उपयोग किया, जिससे एक पिकोसेकंड, यानी एक सेकंड के दस खरबवें हिस्से, से भी कम समय में होने वाली परमाणुओं की गति देखी जा सकती है।

स्थानिक संरचना में परिवर्तन

निम्न तापमान की विद्युतरोधी अवस्था में मैग्नेटाइट का जालक मोनोक्लिनिक होता है। इसकी इकाई कोशिका तिरछे डिब्बे जैसी होती है, जिसकी तीनों भुजाएँ असमान होती हैं। दो कोण 90 डिग्री के होते हैं और तीसरा अलग होता है।

स्रोत: ACS

800 nm की पल्सों ने संरचना में बदलाव करके घनीय धात्विक और मोनोक्लिनिक विद्युतरोधी क्षेत्रों का मिश्रण बनाया। अत्यंत तेज़ अवलोकन से शोधकर्ताओं ने इस परिवर्तन की तीन चरणों वाली प्रक्रिया पहचानी।

इसके विपरीत 400 nm की पल्सों ने मोनोक्लिनिक विद्युतरोधी अवस्था को मजबूत किया और एक अलग असंतुलित अवस्था उत्पन्न की।

ये अवस्थाएँ मैग्नेटाइट की पहले ज्ञात संतुलन अवस्थाओं से अलग हैं। परिणाम धातु-विद्युतरोधी संक्रमण के दौरान होने वाली प्रक्रियाओं को बेहतर समझने में मदद करते हैं।

नई इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियाँ

यह खोज दिखाती है कि लेज़र प्रकाश से मैग्नेटाइट की संरचना और इलेक्ट्रॉनिक अवस्था को नियंत्रित किया जा सकता है।

बहुत तेज़ लेज़र प्रणालियों की प्रकाश पल्सें सामग्री की अवस्था को तेज़ी से बदलने का साधन बन सकती हैं। व्यावहारिक कंप्यूटिंग उपकरण बनाने के लिए अभी और विकास आवश्यक है।

“हमारा अध्ययन विशेष रूप से तैयार प्रकाश पल्सों से अत्यंत कम समय में पदार्थ को नियंत्रित करने का नया तरीका प्रस्तुत करता है।

मैग्नेटाइट की छिपी अवस्थाओं को उत्पन्न और नियंत्रित करने की क्षमता उन्नत सामग्री और उपकरणों के विकास पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकती है।

उदाहरण के लिए, अलग-अलग इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं के बीच तेज़ी और दक्षता से बदलने वाली सामग्री का उपयोग अगली पीढ़ी के कंप्यूटिंग और मेमोरी उपकरणों में किया जा सकता है।”

बेहतर मेमोरी

स्पिन्ट्रॉनिक्स और मैग्नेटाइट इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली निर्माताओं के लिए संभावनाएँ प्रस्तुत करते हैं। हार्ड ड्राइव से आगे अब अन्य मेमोरी प्रणालियों में भी इन अवधारणाओं का उपयोग बढ़ रहा है।

उदाहरण के लिए, कुछ उपयोगों में डायनेमिक रैंडम एक्सेस मेमोरी (DRAM) का स्थान चुंबकीय रैम (MRAM) ले सकती है। इस तकनीक के व्यावसायिक उत्पाद Everspin बनाती है। पारंपरिक मेमोरी की तुलना में तापमान परिवर्तन और विकिरण के प्रति सहनशीलता जैसे गुणों के कारण कुछ MRAM उत्पादों का उपयोग Airbus विमानों में भी हुआ है।

MRAM के कुछ डिज़ाइनों में कम ऊर्जा खपत और बिजली बंद होने पर डेटा बनाए रखने जैसे लाभ होते हैं। लेख में कुछ परिस्थितियों में 80% तक ऊर्जा बचत का अनुमान दिया गया है; यह हर MRAM उपकरण पर लागू होने वाला परिणाम नहीं है। प्रोसेसर की कैश मेमोरी में इसका उपयोग क्षमता बढ़ाने, बिजली खपत घटाने और गर्मी कम करने में मदद कर सकता है। आकार और गर्मी दोनों प्रोसेसर विकास की महत्वपूर्ण सीमाएँ हैं।

फोटॉनिक्स?

लेज़र से मैग्नेटाइट की अवस्था बदलना फोटॉनिक्स के बढ़ते क्षेत्र की याद दिलाता है। हमने इस विकल्प पर अर्धचालक प्रणालियों से आगे कंप्यूटिंग विकसित करने वाली कंपनियों के लेख में चर्चा की थी।

जो प्रणाली गणना के लिए पहले से प्रकाश और लेज़र का उपयोग करती हो, वह प्रकाश से नियंत्रित मैग्नेटाइट मेमोरी से लाभ उठा सकती है। इससे गणना के परिणाम को डेटा में बदलने के बीच के कुछ चरण कम हो सकते हैं और ऊर्जा तथा समय की बचत संभव हो सकती है। यह अभी संभावित अनुप्रयोग है।

स्पिन्ट्रॉनिक्स कंपनियाँ

1. Everspin Technologies

Everspin, Freescale के MRAM व्यवसाय से जून 2008 में अलग होकर बनी। Freescale बाद में NXP का हिस्सा बनी, जिसका शेयर प्रतीक NXPI है। Everspin का आईपीओ 2016 में हुआ।

Everspin को MRAM तकनीक के प्रमुख निर्माताओं में गिना जाता है। इसे Freescale का अनुभव मिला, जिसने 2006 में पहली व्यावसायिक MRAM चिप प्रस्तुत की थी.

MRAM बिजली बंद होने पर भी डेटा बनाए रखती है, इसलिए इसका उपयोग उन प्रणालियों में बढ़ रहा है जहाँ महत्वपूर्ण डेटा सुरक्षित रखना आवश्यक है।

डेटा विश्लेषण, क्लाउड कंप्यूटिंग, पृथ्वी और अंतरिक्ष के अनुप्रयोगों, कृत्रिम बुद्धिमत्ता और औद्योगिक IoT सहित एज AI की बढ़ती मांग के आधार पर, स्थायी मेमोरी बाजार के लिए 2020 से 2030 के बीच 27.5% चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि का अनुमान लगाया गया है।

Everspin

स्रोत: Everspin

कंपनी के अनुमान के अनुसार बाजार 2027 तक 7.4 अरब डॉलर का हो सकता है। लेख में कंपनी को ऋणमुक्त बताया गया है और कहा गया है कि 2021 से उसका मुक्त नकदी प्रवाह सकारात्मक रहा है।

Everspin के MRAM उत्पाद अभी छोटे लेकिन बढ़ते बाजार में उपयोग होते हैं। इनमें एयरोस्पेस, उपग्रह, डेटा रिकॉर्डर और रोगी निगरानी उपकरण जैसे क्षेत्र शामिल हैं, जहाँ विश्वसनीयता महत्वपूर्ण है।

स्रोत: Everspin

चिपसेट, AI और सिनैप्टिक प्रणालियों का विकास भी लंबी अवधि में कंपनी को बढ़ावा दे सकता है।

2. NVE Corporation

स्पिन्ट्रॉनिक्स की एक अन्य प्रमुख कंपनी NVE, 1995 में अपने पहले MRAM पेटेंट के समय से इस तकनीक पर काम कर रही है.

यह स्पिन्ट्रॉनिक सेंसर और आइसोलेटर बनाती है। इनका उपयोग मुख्यतः वाहनों, गियर प्रणालियों, चिकित्सा उपकरणों, बिजली आपूर्ति और अन्य औद्योगिक उपकरणों की मापन तथा सेंसर प्रणालियों में होता है।

स्रोत: NVE

इस कारण NVE और Everspin की स्थिति अलग है। NVE स्पिन्ट्रॉनिक्स आधारित चुंबकीय मापन जैसे विशिष्ट औद्योगिक बाजारों पर केंद्रित है। Everspin मुख्यतः मेमोरी और कंप्यूटिंग क्षेत्र में काम करती है, जहाँ Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba और Samsung जैसी कंपनियाँ भी अपने MRAM उत्पाद विकसित कर रही हैं।

निवेशक की प्राथमिकताओं के अनुसार दोनों कंपनियों का आकर्षण अलग हो सकता है। लाभांश चाहने वाले अपेक्षाकृत सतर्क निवेशक NVE पर विचार कर सकते हैं, लेकिन लाभांश या विशिष्ट बाजार में स्थिति से शेयर निवेश सुरक्षित होने की गारंटी नहीं मिलती।