Centimeter-scale nanomechanical resonators with low dissipation

नन्हे मशीनों की दुनिया की कल्पना करें, जहाँ वैज्ञानिक इतनी पतली कंपन करती डोरियाँ बनाते हैं जिन्हें नैनोमीटर में मापा जाता है—जो एक मानव बाल से हजारों गुना पतली होती हैं। ये मैकेनिकल रेज़ोनेटर (mechanical resonators) हैं, जो गिटार के तारों या दादाजी की घड़ी के पेंडुलम के सूक्ष्म संबंधी हैं। बिल्कुल एक गिटार के तार की तरह, यदि आप इनमें से एक नन्ही डोरी को छेड़ते हैं, तो वह कंपन करती है। वैज्ञानिकों के लिए सबसे महत्वपूर्ण "जादुई संख्या" जिसे "क्वालिटी फैक्टर" (या Q फैक्टर) कहा जाता है। इसे इस तरह समझें कि यह इस बात का माप है कि डोरी को छेड़ने के बाद वह कितनी देर तक गाती रहती है। कम Q फैक्टर एक सुस्त धमक की तरह है जो तुरंत रुक जाती है; उच्च Q फैक्टर एक क्रिस्टल जैसी स्पष्ट ध्वनि की तरह है जो बहुत लंबे समय तक गूँजती रहती है।

यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि एक नन्ही मशीन जितनी अधिक देर तक बिना ऊर्जा खोए कंपन कर सकती है, वह उतनी ही अधिक संवेदनशील हो जाती है। ये अति-संवेदनशील मशीनें परम डिटेक्टर के रूप में कार्य कर सकती हैं, जो गुरुत्वाकर्षण की सबसे हल्की फुसफुसाहट, द्रव्यमान के सूक्ष्म बदलावों, या यहाँ तक कि रहस्यमय डार्क मैटर के खिंचाव को भी महसूस कर सकती हैं। दशकों से, वैज्ञानिक एक दुविधा में फंसे हुए थे: एक लंबी, स्पष्ट गूँज पाने के लिए, आपको आमतौर पर एक मोटी, भारी डोरी की आवश्यकता होती है (जैसे एक मैक्रोस्कोपिक तार), लेकिन किसी कंप्यूटर चिप पर फिट होने के लिए इतनी छोटी मशीन बनाने हेतु आपको एक अत्यंत पतली डोरी की आवश्यकता होती है। समस्या यह है कि एक डोरी को एक साथ अविश्वसनीय रूप से लंबी और अविश्वसनीय रूप से पतली बनाना, एक मील लंबी लेकिन बाल जितनी चौड़ी मकड़ी के रेशम से सस्पेंशन ब्रिज बनाने की कोशिश करने जैसा है; इसे बिना टूटे या जमीन से चिपके बनाना बेहद कठिन है।

यह शोध पत्र इस कहानी को बताता है कि कैसे इंजीनियरों की एक टीम ने अंततः एक "मकड़ी के रेशम जैसा पुल" बनाया जो 3 सेंटीमीटर लंबा लेकिन केवल 70 नैनोमीटर मोटा है। उन्होंने इसे केवल अनुमान लगाकर नहीं बनाया; उन्होंने इसे डिजाइन करने के लिए एक चतुर कंप्यूटर रणनीति का उपयोग किया और इसे बिना तोड़े बनाने के लिए एक नाजुक, ड्राई-आइस जैसी निर्माण प्रक्रिया का उपयोग किया। परिणाम एक ऐसी नन्ही, लटकी हुई डोरी है जो इतनी स्पष्टता के साथ कंपन करती है कि यह कमरे के तापमान पर लगातार सात घंटे से अधिक समय तक गूँजती रहती है। यह उपलब्धि भारी, लंबी तारों की मैक्रोस्कोपिक दुनिया और नन्ही चिप्स की सूक्ष्म दुनिया के बीच के अंतर को पाटती है, जिससे ऐसे सेंसरों का मार्ग प्रशस्त होता है जो अत्यधिक संवेदनशील भी हैं और जिन्हें एक एकल कंप्यूटर चिप पर आसानी से पैक भी किया जा सकता है।

चुनौती: लंबा, पतला और नाजुक

लंबे समय से, वैज्ञानिकों के पास कंपन करती डोरियों की दो अलग-अलग दुनियाएँ थीं। एक तरफ, आपके पास "दिग्गज" थे: विशाल डोरियाँ जिनका उपयोग दर्जनों सेंटीमीटर लंबी और माइक्रोमीटर मोटी गुरुत्वाकर्षण डिटेक्टरों में किया जाता है। ये मजबूत होती हैं और लंबे समय तक कंपन करती हैं, लेकिन ये कंप्यूटर चिप पर फिट होने के लिए बहुत बड़ी हैं। दूसरी ओर, आपके पास "बौने" थे: चिप पर मौजूद नन्ही डोरियाँ जो नैनोमीटर जितनी पतली हैं लेकिन आमतौर औसतन केवल मिलीमीटर लंबी होती हैं। ये चिप पर फिट होने के लिए बेहतरीन हैं, लेकिन ये इतनी छोटी हैं कि दिग्गजों की तरह स्पष्ट रूप से कंपन नहीं कर पातीं।

सपना इन दोनों को मिलाने का था: एक ऐसी डोरी जो दिग्गजों जितनी लंबी (सेंटीमीटर) हो लेकिन बौनों जितनी पतली (नैनोमीटर) हो। यह एक "हाई-एस्पेक्ट-रेशियो" (high-aspect-ratio) उपकरण बनाएगा—एक ऐसी संरचना जो अपनी मोटाई की तुलना में अविश्वसनीय रूप से लंबी है। समस्या यह है कि जैसे-जैसे आप इन डोरियों को लंबा और पतला बनाते हैं, वे अविश्वसनीय रूप से नाजुक हो जाती हैं। वे टूटने के प्रति संवेदनशील होती हैं, या इससे भी बुरा, वे अपने नीचे की सतह से चिपक जाती हैं (जिसे "स्टिक्शन" या stiction कहा जाता है) और एक गीले नूडल की तरह ढह जाती हैं। इसके अलावा, उन्हें डिजाइन करना कंप्यूटर के लिए एक दुःस्वप्न है; इतनी अधिक डिटेल के साथ 3-सेमी-लंबी डोरी का सिमुलेशन करना इतनी अधिक कंप्यूटिंग शक्ति लेता है कि यह डिजाइन प्रक्रिया को धीमा कर देता है।

समाधान: एक स्मार्ट डिजाइन और एक कोमल विमोचन

टीम ने इस चुनौती से निपटने के लिए दो-भाग वाली रणनीति अपनाई: एक स्मार्ट कंप्यूटर मस्तिष्क और एक कोमल निर्माण हाथ।

सबसे पहले, उन्हें बिना हफ्तों इंतजार किए एक आदर्श आकार डिजाइन करने की आवश्यकता थी। उन्होंने "मल्टी-फिडेलिटी बायेसियन ऑप्टिइजेशन" (multi-fidelity Bayesian optimization) नामक तकनीक का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप एक आदर्श रेस कार डिजाइन करने की कोशिश कर रहे हैं। हर बार कोई बदलाव करने के बाद पूर्ण आकार की, महंगी प्रोटोटाइप बनाने के बजाय, आप पहले एक छोटा, सस्ता मॉडल कार बनाते हैं। यदि छोटा मॉडल सुझाव देता है कि एक बदलाव उसे तेज बनाता है, तो आप फिर उस विशिष्ट बदलाव का परीक्षण बड़ी, महंगी कार पर करते हैं। टीम ने अपनी सिमुलेशन के साथ यही किया। उन्होंने छोटी (3 मिलीमीटर) डोरियों के तेज़, लो-रेज़ोल्यूशन सिमुलेशन का उपयोग डिजाइन को निर्देशित करने के लिए किया, और केवल तभी धीमी, हाई-रेज़ोल्यूशन (3 सेंटीमीटर) डोरियों के सिमुलेशन का उपयोग किया जब उन्हें लगा कि उन्हें वास्तव में एक अच्छा विचार मिल गया है। इस "स्मार्ट गेसिंग" ने उन्हें एक ऐसा डिजाइन खोजने में मदद की जो केवल अनुमान लगाने या केवल धीमी सिमुलेशन का उपयोग करने की तुलना में 20% बेहतर था।

जो डिजाइन उन्हें मिला वह एक "फोनोनिक क्रिस्टल" (phononic crystal) डोरी थी। इसे एक विशेष पैटर्न वाले छेद और चौड़ाई वाली डोरी के रूप में समझें, जो एक संगीत वाद्ययंत्र की तरह है जिसमें विशिष्ट फ्रेट्स (frets) होते हैं। यह पैटर्न कंपन को डोरी के बीच में कैद करता है और इसे सिरों पर लीक होने से रोकता है, जहाँ आमतौर पर अधिकांश ऊर्जा नष्ट हो जाती है।

दूसित, उन्हें इसे बिना तोड़े वास्तव में बनाना था। इन नन्ही डोरियों को बनाने के पारंपरिक तरीकों में उनके नीचे की सामग्री को तरल रसायनों के साथ धोना शामिल है। लेकिन 3-से सेंटीमीटर लंबी, बाल जैसी पतली डोरी के लिए, तरल का सतही तनाव (surface tension) उसे कुचल देगा। इसके बजाय, टीम ने "ड्राई रिलीज" (dry release) तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने डोरी के नीचे के सिलिकॉन को धीरे-धीरे हटाने के लिए एक वैक्यूम चैंबर में एक विशेष गैस (SF6) का उपयोग किया, जैसे कि एक अदृश्य हवा रेत के महल से रेत को धीरे से हटा रही हो। यह सुनिश्चित करने के लिए कि डोरी मुक्त होने के दौरान फर्श पर न गिर जाए, उन्होंने इसके नीचे सिलिकॉन स्तंभों का एक छोटा "स्कैफोल्डिंग" (scaffolding) बनाया, जिसने अंतिम क्षण तक इसे थामे रखा। इस नाजुक नृत्य ने यह सुनिश्चित किया कि नाजुक डोरी लटकी रहे और टूटे या चिपके नहीं।

परिणाम: एक गूँज जो दिनों तक चलती है

जब उन्होंने अपनी रचना का परीक्षण किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। उन्होंने अपनी 3-सेमी-लंबी, 70-नैनोमीटर-मोटी डोरी को एक वैक्यूम चैंबर के अंदर रखा और उसे एक हल्का सा धक्का दिया। डोरी 214 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर कंपन करने लगी। लेकिन असली जादू यह था कि वह कितनी देर तक चलती रही।

टीम ने "रिंगडाउन" (ringdown) को मापा, जो यह है कि कंपन गायब होने में कितना समय लेता है। उनके सर्वश्रेष्ठ डिवाइस ने 7 घंटे से अधिक समय तक कंपन किया। यह 6.6 बिलियन के क्वालिटी फैक्टर (Q) के बराबर है। इसे समझने के लिए, यह कमरे के तापमान पर एक ठोस सतह से जुड़ी मैकेनिकल रेज़नेटर के लिए अब तक का सबसे उच्चतम दर्ज किया गया क्वालिटी फैक्टर है।

आमतौर पर, इतनी स्पष्ट, लंबे समय तक चलने वाली गूँज पाने के लिए, आपको मशीन को परम शून्य (absolute zero) के करीब फ्रीज करने या उसे इतने गहरे वैक्यूम में रखने की आवश्यकता होती है जो लगभग खाली स्थान हो। इस टीम के डिवाइस ने सामान्य चिप पर कमरे के तापमान पर यह अविश्वसनीय प्रदर्शन हासिल किया। जबकि अन्य उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों (जैसे लेविटेटेड नैनोस्फीयर) को काम करने के लिए 100 गुना खाली वैक्यूम की आवश्यकता होती है, यह सॉलिड-स्टेट चिप उन चरम स्थितियों की तुलना में 100 गुना अधिक दबाव पर भी पूरी तरह से काम करती है। यह एक बड़ी छलांग है क्योंकि इसका मतलब है कि हमें इन सुपर-सेंसिटिव वाइब्रेशन प्राप्त करने के लिए विशाल, महंगे, ठंडे उपकरणों या अल्ट्रा-डीप वैक्यूम की आवश्यकता नहीं है; हम इसे अपने हाथ में फिट होने वाली चिप के साथ कर सकते हैं।

यह क्यों मायने रखता है

यह सफलता बताती है कि अब हम ऐसे सेंसर बना सकते हैं जो भौतिकी प्रयोगशालाओं में उपयोग किए जाने वाले विशाल, ठंडे मशीनों जितने संवेदनशील हैं, लेकिन रोज़मर्रा की तकनीक में एकीकृत होने के लिए पर्याप्त छोटे हैं। ये सेंटीमीटर-स्केल के नैनोरेज़ोनेटर अविश्वसनीय रूप से सूक्ष्म बलों का पता लगाने, द्रव्यमान के सूक्ष्म परिवर्तनों को मापने, या यहाँ तक कि हमें डार्क मैटर को सुनने में मदद करने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं। यह साबित करके कि हम इन "लंबे और पतले" ढांचों को विश्वसनीयता और उच्च पैदावार (उन्होंने अपने सर्वश्रेष्ठ चिप पर 93% बार सफलता प्राप्त की) के साथ बना सकते हैं, टीम ने एक नया द्वार खोल दिया है। उन्होंने दिखाया है कि भौतिकी के नियम केवल बहुत बड़े या बहुत छोटे के लिए ही लागू नहीं होते हैं, बल्कि एक नए, अनछुए मध्य क्षेत्र के लिए भी हैं जहाँ दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ अंततः मिल सकता है।