A waveguide spectrometer for high-resolution millimeter-wave imaging

ब्रह्मांडीय प्रतिध्वनि कक्ष (The Cosmic Echo Chamber)

कल्पना कीजिए कि ब्रह्मांड एक विशाल, प्राचीन पुस्तकालय है जहाँ पुस्तकें प्रकाश में लिखी गई हैं। हालाँकि, इनमें से अधिकांश पुस्तकें ऐसी भाषा में लिखी गई हैं जिसे हमारी आँखें नहीं पढ़ सकतीं: इन्फ्रारेड और रेडियो तरंगें। ब्रह्मांड के इतिहास को समझने के लिए—कि कैसे पहले सितारों ने प्रज्वलित होना शुरू किया, आकाशगंगाएँ कैसे बनीं, और रहस्यमय "डार्क मैटर" किससे बना है—हमें ऐसे टेलीस्कोप बनाने की आवश्यकता है जो इन अदृश्य पन्नों को पढ़ सकें। लेकिन एक पेंच है: हम समय में जितना पीछे देखते हैं, ब्रह्मांड उतना ही फैलता जाता है, जिससे ये प्रकाश तरंगें "मिलीमीटर" और "सब-मिलीमीटर" रेंज में खिसक जाती हैं। यह एक स्टेडियम के पार से आती फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश करने जैसा है; संकेत बहुत धीमा है, और शोर बहुत अधिक है।

इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करते हैं। एक स्पेक्ट्रोमीटर को एक अत्यंत सटीक प्रिज्म के रूप में सोचें। जब सफेद प्रकाश एक प्रिज्म से टकराता है, तो वह रंगों के इंद्रधनुष में विभाजित हो जाता है। एक स्पस्पेक्ट्रोमीटर रेडियो तरंगों के साथ भी यही करता है, एक अस्त-व्यस्त, व्यापक संकेत को छोटे, विशिष्ट चैनलों में विभाजित करता है ताकि हम देख सकें कि कौन से "सुर" (आवृत्तियाँ/frequencies) मौजूद हैं। स्पेक्ट्रोमीटर जितना बेहतर होगा, प्रारंभिक ब्रह्मांड की तस्वीर उतनी ही स्पष्ट होती जाएगी। हालाँकि, वर्तमान उपकरण पुराने, लीकेज वाले बर्तनों की तरह हैं; वे इस बहुमूल्य संकेत को बहुत अधिक खो देते हैं और ब्रह्मांड की कहानी के सूक्ष्म विवरणों को देखने के लिए रंगों को पर्याप्त बारीकी से अलग नहीं कर पाते हैं। यहीं पर एक नया आविष्कार खेल बदलने के लिए आता है।

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द स्विस चीज़ स्पेक्ट्रोमीटर (The Swiss Cheese Spectrometer)

मिलिए SWISS (सुपरकंडक्टिंग वेवगाइड इंटीग्रेटेड सबमिलीमीटर स्पेक्ट्रोमीटर) से। नाम के बावजूद, इसका संबंध पनीर या स्विट्जरलैंड से नहीं है; यह एक छोटा, उच्च-तकनीकी उपकरण है जिसे क्रिस्टल जैसी स्पष्ट सटीकता के साथ प्रारंभिक ब्रह्मांड की फुसफुसाहट को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है। SWISS के पीछे की टीम, जो अमेरिका और ब्रिटेन के शोधकर्ताओं का एक सहयोग है, एक नए प्रकार का स्पेक्ट्रोमीटर बना रही है जो प्रकाश तरंगों के लिए एक सुपर-कुशल, वैक्यूम-सील्ड सुरंग की तरह कार्य करता है।

पुराने तरीके के साथ समस्या

कल्पना कीजिए कि आप स्पंज से बने एक भीड़भाड़ वाले, शोर वाले गलियारे के माध्यम से संदेश भेजने की कोशिश कर रहे हैं। वर्तमान स्पेक्ट्रोमीटर ऐसे ही होते हैं। वे "माइक्रोस्ट्रिप" डिज़ाइन का उपयोग करते हैं, जो अनिवार्य रूप रूप से एक चिप पर बने सपाट सर्किट हैं। समस्या यह है कि जिस सामग्री से ये सर्किट बने होते हैं, वह उस स्पंज की तरह काम करती है, जो संकेत के कुछ हिस्से को सोख लेती है और संदेश को धुंधला कर देती है। यह हमारी ब्रह्मांड को देखने की स्पष्टता और एक साथ कितने अलग-अलग "रंगों" को पकड़ने की क्षमता को सीमित करता है। यह तूफान में रेडियो ट्यून करने की कोशिश करने जैसा है; आपको केवल शोर सुनाई देता है, और आप संगीत को मिस कर देते हैं।

SWISS समाधान: एक वैक्यूम टनल

SWISS टीम ने "स्पंज" का उपयोग करना बंद करने और इसके बजाय एक "वैक्यूम टनल" बनाने का निर्णय लिया। सपाट सर्किट के बजाय, वे आयताकार वेवगाइड्स (rectangular waveguides) का उपयोग करते हैं—जो सिलिकॉन वेफर्स में सीधे तराशे गए छोटे, खोखले पाइप हैं। क्योंकि ये पाइप खाली (वैक्यूम) होते हैं, इसलिए प्रकाश तरंगें बिना किसी ऊर्जा हानि के इनके माध्यम से तेजी से निकल सकती हैं। यह ऊँची घास के मैदान में दौड़ने बनाम एक चिकके, खाली ट्रैक पर दौड़ने के बीच का अंतर है।

एक छोटे स्थान में अधिक से अधिक इन "पाइपों" को भरने के लिए, टीम ने उन्हें पैनकेक की तरह सपाट बिछाने के बजाय डोमिनोज़ की एक पंक्ति की तरह खड़ा करने के लिए डिज़ाइन किया। यह उन्हें एक छोटे से क्षेत्र में एक विशाल संख्या में चैनल फिट करने की अनुमति देता है, जिससे एक सघन, शक्तिशाली सरणी (array) बनती है।

जादुई संक्रमण: "कील का बिस्तर" (The "Bed of Nails")

इस मशीन को बनाने के सबसे कठिन हिस्सों में से एक एंटीना (जो आकाश से प्रकाश को पकड़ता है) को वैक्यूम पाइपों से जोड़ना है। चूंकि एंटीना एल्युमीनियम से बना है और पाइप सिलिकॉन से बने हैं, इसलिए जब इन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा किया जाता है, तो ये अलग-अलग दर से सिकुड़ते हैं। यदि आप उन्हें आपस में चिपका देते, तो वे टूट जाते या गलत संरेखित (misalign) हो जाते, जिससे संकेत टूट जाता।

इसे हल करने के लिए, टीम ने "कील के बिस्तर" का उपयोग करके एक कॉन्टैक्टलेस ट्रांजिशन (contactless transition) का आविष्कार किया। कल्पना कीजिए कि एक सतह छोटी, समान रूप से दूरी पर लगी पिनों से ढकी हुई है। जब प्रकाश की लहर इस कीलों के बिस्तर से टकराती है, तो यह एक विशेष चुंबकीय प्रभाव पैदा करती है जो एक आदर्श दीवार की तरह कार्य करती है, जो संकेत को बाहर निकलने से रोकती है, भले ही हिस्सों के बीच थोड़ा सा अंतराल हो। यह एक 'फोर्स फील्ड' की तरह है जो प्रकाश को सही रास्ते पर रखता है, यह सुनिश्चित करता है कि ठंड में पुर्जे चाहे कितना भी खिसक जाएं, कनेक्शन मजबूत बना रहे।

फिल्टर: रेडियो ट्यून करना

स्पेक्ट्रोमीटर के भीतर, प्रकाश फिल्टर के रूप में कार्य करने वाले छोटे कैविटीज़ (खोखले बक्सों) की एक श्रृंखला से टकराता है। प्रत्येक कैविटी एक विशिष्ट आवृत्ति (frequency) के लिए ट्यून की गई है, जैसे कि एक रेडियो स्टेशन। जब प्रकाश एक ऐसी कैविटी से टकराता है जो उसकी आवृत्ति के लिए ट्यून की गई है, तो वह उसमें फंस जाता है और डिटेक्टर की ओर भेज दिया जाता है। टीम ने इन कैविटीज़ को डिज़ाइन करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे 10 अलग-अलग फिल्टर वाला एक प्रोटोटाइप तैयार हुआ। उन्होंने पाया कि सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों (ऐसी धातुएं जो ठंडी होने पर शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करती हैं) का उपयोग करके, वे इन फिल्टरों को अविश्वसनीय रूप से सटीक और कुशल बना सकते हैं।

डिटेक्टर: अति-संवेदनशील कान

टनल के अंत में, प्रकाश एक काइनेटिक इंडक्टेंस डिटेक्टर (Kinetic Inductance Detector - KID) से टकराता है। इसे एक अति-संवेदनशील कान के रूप में समझें जो एक एकल फोटॉन (प्रकाश के कण) के टकराने को भी सुन सकता है। जब एक फोटॉन डिटेक्टर से टकराता है, तो यह धातु के विद्युत गुणों को बदल देता है, जिससे उसका "पिच" बदल जाता है। इन बदलावों को सुनकर, स्पेक्ट्रोमीटर ठीक से गिन सकता है कि प्रत्येक रंग के कितने फोटॉन आए।

अब तक क्या मिला

यह शोध पत्र इस नई प्रणाली के डिज़ाइन और प्रारंभिक परीक्षण को प्रस्तुत करता है। टीम ने इसे केवल सपना नहीं देखा; उन्होंने प्रोटोटाइप बनाए और उनका परीक्षण भी किया।

• "कील का बिस्तर" काम करता है: उन्होंने लैब में कॉन्टैक्टलेस ट्रांजिशन का परीक्षण किया और पाया कि इसने सिग्नल को मजबूत बनाए रखने में सफलता प्राप्त की, भले ही हिस्सों के बीच एक छोटा सा अंतराल हो। हालांकि एक विशिष्ट आवृत्ति (लगभग 160 GHz) पर प्रदर्शन में मामूली गिरावट देखी गई, लेकिन उन्होंने सिमुलेशन में दिखाया कि पिन के आकार में बदलाव करके इसे ठीक किया जा सकता है।
• पाइप वास्तविक हैं: उन्होंने डीप रिएक्टिव-आयन एचिंग (DRIE) नामक प्रक्रिया का उपयोग करके सिलिकॉन वेफर्स में इन छोटे वैक्यूम पाइपों को सफलतापूर्वक तराशा। वे इन पाइपों के अंदर सोने और सुपरकंडक्टिंग नाइओबियम की परत चढ़ाने में सफल रहे, जिससे प्रकाश यात्रा के लिए एक चिकनी, परावर्तक सतह तैयार हुई।
• भविष्य उज्ज्वल है: उन्होंने "WR6" बैंड (आवृत्तियों की एक विशिष्ट श्रेणी) के लिए एक प्रोटोटाइप बनाया है और वर्तमान में कमरे के तापमान पर इसका परीक्षण कर रहे हैं। वे 10 फिल्टरों वाले अधिक जटिल संस्करण पर भी काम कर रहे हैं और अत्यधिक ठंड वाले क्रायोस्टेट में परीक्षण करने के लिए एक सुपरकंडक्टिंग संस्करण बनाने की योजना बना रहे हैं।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह केवल एक छोटा सुधार नहीं है; यह एक बड़ी छलांग हो सकती है। फ्लैट सर्किट के बजाय वैक्यूम वेवगाइड्स का उपयोग करके, SWISS वर्तमान उपकरणों की तुलना में बहुत अधिक कुशल होने और रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला देखने का वादा करता है। यदि टीम पूर्ण संस्करण बनाने में सफल होती है, तो यह खगोलविदों को ब्रह्मांड की बड़ी संरचनाओं को अभूतपूर्व विवरण के साथ मैप करने की अनुमति दे सकता है, जिससे हमें पहले सितारों और उन रहस्यमय बलों को समझने में मदद मिलेगी जो हमारे ब्रह्मांड को आकार देते हैं। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह आर्किटेक्चर संवेदनशीलता में "एक क्रम की मात्रा का सुधार" (order of magnitude improvement) ला सकता है, जिसका अर्थ है कि हम अंततः समय के छोर से आने वाली सबसे हल्की फुसफुसाहट को सुनने में सक्षम हो सकते हैं।