Frequency-Division Multiplexing in Magnonic Waveguides

कंप्यूटिंग की दुनिया की कल्पना एक व्यस्त राजमार्ग के रूप में करें। अभी, हमारे कंप्यूटर ज्यादातर जानकारी ले जाने के लिए बिजली के सूक्ष्म पैकेटों (इलेक्ट्रॉन) का उपयोग करते हैं। यह अच्छा काम करता है, लेकिन यह एक सिंगल-लेन सड़क के माध्यम से लाखों पत्र भेजने की तरह है; अंततः, आपको ट्रैफिक जाम का सामना करना पड़ता है, गर्मी बढ़ती है, और सिस्टम धीमा हो जाता है। वैज्ञानिक एक नए प्रकार के "ट्रैफिक" की तलाश कर रहे हैं जो तेज़, ठंडा और एक साथ अधिक डेटा ले जा सके। यहाँ प्रवेश होता है स्पिन वेव्स (spin waves) का। वास्तविक कणों को हिलाने के बजाय, स्पिन वेव्स एक तालाब में उठने वाली लहरों की तरह हैं, लेकिन यहाँ "पानी" एक ठोस पदार्थ के भीतर इलेक्ट्रॉनों का चुंबकीय स्पिन है। ये लहरें अपनी ऊंचाई (आयाम), अपने समय (फेज/चरण), और अपने रंग (आवृत्ति) का उपयोग करके सूचना ले जा सकती हैं।

यह शोध पत्र जिस बड़े विचार की खोज करता है, वह है फ्रीक्वेंसी-डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (FDM)। इसे एक रेडियो स्टेशन की तरह समझें। आप एक ही समय में 98.5 FM पर शास्त्रीय संगीत और 101.5 FM पर रॉक संगीत बजा सकते हैं। भले ही दोनों सिग्नल एक ही हवा में एक साथ यात्रा कर रहे हों, वे एक-दूसरे से टकराते नहीं हैं या शोर में नहीं बदलते; वे बस एक-दूसरे के बीच से गुजर जाते हैं। वैज्ञानिकों ने सवाल पूछा: क्या हम स्पिन वेव्स के साथ ऐसा कर सकते हैं? क्या हम एक ही सूक्ष्म चैनल में एक ही समय में दो अलग-अलग "रंगों" की लहरों को बिना उलझे भेज सकते हैं? यदि हम ऐसा कर सकते हैं, तो इसका मतलब है कि हम एक ही सूक्ष्म चैनल के माध्यम से डेटा की कई धाराएं भेज सकते हैं, जिससे भविष्य के कंप्यूटर बिना तारों को बड़ा किए कहीं अधिक तेज़ और कुशल बन सकते हैं।

प्रयोग: लहरों के लिए एक चुंबकीय राजमार्ग

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने के लिए एक सूक्ष्म चुंबकीय राजमार्ग बनाया कि क्या स्पिन वेव्स आपस में तालमेल बिठा सकती हैं। उन्होंने एक सूक्ष्म वेवगाइड (waveguide) बनाया—जो CoFeB (कोबाल्ट-आयरन-बोरॉन) नामक एक विशेष धातु मिश्र धातु से बना एक संकीर्ण मार्ग है—और इसे एक सिलिकॉन चिप पर रखा। लहरों को गति देने के लिए, उन्होंने "U-आकार" के एंटेना का उपयोग किया, जो छोटे चप्पू की तरह कार्य करते हैं, जो चुंबकीय क्षेत्र में लहरें पैदा करने के लिए उसमें डूबते हैं।

लहरें सह-अस्तित्व में रह सकती हैं या नहीं, यह देखने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग सिग्नल जनरेटरों (वेक्टर नेटवर्क एनालाइजर्स) का उपयोग करके एक चतुर प्रयोग तैयार किया। कल्पना कीजिए कि दो संगीतकार हैं: एक 8 से 12 GHz रेंज में एक धुन (एक उच्च-पिच वाली धुन) बजाता है, और दूसरा 12 से 16 GHz रेंज में एक अलग धुन (एक और भी ऊँची धुन) बजाता है। आमतौर पर, यदि आप दो ध्वनियों को मिलाते हैं, तो वे हस्तक्षेप कर सकती हैं या एक शोर पैदा कर सकती हैं। लेकिन यहाँ, शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या ये दो "धुनों" को एक ही चुंबकीय तार के माध्यम से एक-दूसरे को बाधित किए बिना यात्रा करने में सक्षम है।

उन्होंने दो मुख्य परीक्षण किए। पहले, उन्होंने दोनों सिग्नलों को तार के माध्यम से एक साथ भेजा और मापा कि दूसरी तरफ से क्या निकला। उन्होंने इसकी तुलना एक समय में एक सिग्नल भेजने से की। परिणाम आश्चर्यजनक रूप से सरल था: संयुक्त सिग्नल बिल्कुल दो अलग-अलग सिग्नलों के योग जैसा ही था। 8–12 GHz की लहर 12–16 GHz की लहर से विकृत नहीं हुई, और न ही इसके विपरीत हुआ। यह ऐसा था जैसे दोनों लहरें भूतिया हों, जो बिना किसी टक्कर के एक-दूसरे के बीच से गुजर रही थीं।

पूरी तरह आश्वस्त होने के लिए, उन्होंने दूसरा परीक्षण किया। उन्होंने एक विशिष्ट आवृत्ति (12.22 GHz) पर एक स्थिर, निरंतर "गूंज" भेजी और उसी तार के माध्यम से अन्य आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को स्कैन किया। फिर से, विस्तृत स्कैन बिल्कुल वैसा ही दिखता था जैसा कि स्थिर गूंज चालू होने या बंद होने पर होता। एकमात्र अंतर यह था कि 12.22 GHz की उस विशिष्ट गूंज का वॉल्यूम बढ़ गया था क्योंकि वे इसमें अधिक शक्ति जोड़ रहे थे। अन्य आवृत्तियाँ पूरी तरह से अप्रभावित रहीं।

"क्यों" और "कैसे"

ऐसा क्यों हुआ? शोध पत्र बताता है कि क्योंकि उन्होंने शक्ति (power) को कम रखा, इसलिए सिस्टम एक "लीनियर रिजीम" (linear regime) में रहा। साधारण शब्दों में, इसका अर्थ है कि लहरें इतनी छोटी थीं कि वे एक-दूसरे को धक्का या खींच नहीं सकती थीं। ठीक वैसे ही जैसे शांत समुद्र में छोटी लहरें बिना अपना आकार बदले एक-दूसरे के बीच से गुजर जाती हैं, इन छोटी चुंबकीय लहरों ने सुपरपोजिशन सिद्धांत (superposition principle) का पालन किया। यह कहने का एक तकनीकी तरीका है कि जब दो लहरें मिलती हैं, तो वे बस एक-दूसरे में जुड़ जाती हैं, लेकिन वे एक-दूसरे के मूल स्वरूप को नहीं बदलतीं।

शोधकर्ताओं ने केवल अपनी आँखों पर भरोसा नहीं किया; उन्होंने लहरों को अंदर से देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन (माइकोमैग्नेटिक सिमुलेशन) का उपयोग किया। इन सिमुलेशन ने दिखाया कि जैसे-जैसे लहरें तार के नीचे यात्रा करती हैं, उनका आकार और गति (वेववेक्टर्स) बिल्कुल वैसा ही रहता है, चाहे वे अकेले यात्रा कर रही हों या किसी साथी के साथ। पूरी लंबाई तक यात्रा करने के बाद भी, लहरों ने अपनी पहचान नहीं खोई और न ही वे क्षीण हुईं।

भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि स्पिन वेव्स वास्तव में एक ही भौतिक स्थान साझा कर सकती हैं, बशर्ते वे अलग-अलग आवृत्तियों पर हों और सिस्टम को लीनियर रखा जाए। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि चुंबकीय उपकरणों में फ्रीक्वेंसी-डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग संभव है।

इसका मतलब यह नहीं है कि आज हमारे पास शेल्फ पर एक नया कंप्यूटर उपलब्ध है, लेकिन यह भविष्य की तकनीकों के द्वार खोलता है। यदि इंजीनियर इस तकनीक का उपयोग करने वाले सर्किट बना सकते हैं, तो वे एक ही, बहुत छोटे तार के माध्यम से सूचना के कई चैनल भेज सकते हैं। इससे ऐसे कंप्यूटर विकसित हो सकते हैं जो समानांतर (parallel) में डेटा प्रोसेस कर सकें (एक साथ कई काम कर सकें) और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस या उन्नत सिग्नल प्रोसेसिंग जैसे जटिल कार्यों को वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में बहुत अधिक कुशलता से संभाल सकें। यह अध्ययन प्रायोगिक प्रमाण प्रदान करता है कि स्पिन वेव्स का "भूतिया" सह-अस्तित्व वास्तविक है, जो गैर-हस्तक्षेप करने वाली लहरों के एक सिम्फनी की तरह सूचना के प्रवाह वाले "मैग्नोनिक" (magnonic) कंप्यूटिंग की एक नई पीढ़ी का मार्ग प्रशस्त करता है।