Levitated Milligram-scale Ferromagnetic Magnetometer at Room Temperature
यह शोध पत्र एक कमरे के तापमान वाले, मिलीग्राम-स्तर के डायामैग्नेटिक रूप से उत्तोलित (levitated) फेरोमैग्नेटिक मैग्नेटोमीटर को प्रदर्शित करता है जो 100-हर्ट्ज़ स्तर पर 23 fT/√Hz की चुंबकीय संवेदनशीलता प्राप्त करता है, जो बायोमैग्नेटिक डिटेक्शन और मानक-मॉडल से परे भौतिकी की खोजों के लिए एक आशाजनक मंच स्थापित करता है।
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भौतिकी की दुनिया की कल्पना एक विशाल, अदृश्य बलों के महासागर के रूप में करें। कुछ लहरें बहुत बड़ी और स्पष्ट हैं, जैसे गुरुत्वाकर्षण का खिंचाव जो आपके पैरों को जमीन पर टिकाए रखता है। लेकिन अन्य लहरें बहुत सूक्ष्म और शांत हैं, जैसे आपके अपने मस्तिष्क के विद्युत संकेतों से उत्पन्न होने वाले मंद चुंबकीय क्षेत्र या डार्क मैटर की रहस्यमय गूँज जो शायद ब्रह्मांड में छिपा हुआ है। दशकों से, वैज्ञानिक इन फुसफुसाहटों को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील "कान" बनाने की कोशिश कर रहे हैं। समस्या यह है कि यह महासागर शोर से भरा है; फर्श कंपन करता है, हवा कांपती है, और उपकरण स्वयं भी थरथराते हैं। सबसे शांत ध्वनियों को सुनने के लिए, आपको एक ऐसा सेंसर बनाना होगा जो इतना नाजुक हो कि वह तैरता रहे, पूरी तरह से अपने आस-पास की शोर भरी और कंपन करती दुनिया से मुक्त हो। यह "लेविटेटेड सेंसिंग" (levitated sensing) का क्षेत्र है, जहाँ वैज्ञानिक चुंबकीय क्षेत्रों या प्रकाश का उपयोग करके सूक्ष्म वस्तुओं को हवा में लटकाने की कोशिश करते हैं, ताकि उन्हें इतनी पूर्णता से अलग किया जा सके कि चुंबकीय क्षेत्र का एक मामूली सा धक्का भी उन्हें नाचने पर मजबूर कर दे। यदि वे इसमें महारत हासिल कर लेते हैं, तो वे उन चीजों का पता लगा सकते हैं जिन्हें हमने पहले कभी नहीं देखा है, जीवित कोशिकाओं के चुंबकीय पदचिह्नों से लेकर डार्क यूनिवर्स को बनाने वाले भूतिया कणों तक।
इस नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने कमरे के तापमान पर नाचने वाले चुंबक के एक छोटे से तैरते हुए टुकड़े का उपयोग करके एक अत्यंत संवेदनशील चुंबकीय "कान" बनाया है। महंगे, अत्यधिक ठंडे उपकरणों का उपयोग करके शोर को दूर करने के बजाय, उन्होंने चुंबकों के एक चतुर सेटअप और बिस्मथ (bismuth) नामक एक विशेष प्रकार के "एंटी-मैग्नेट" सामग्री का उपयोग करके एक मिलीग्राम-स्केल के हार्ड फेरोमैग्नेट (एक ऐसी सामग्री जो स्थायी चुंबक के रूप में कार्य करती है) को हवा में तैराने में सफलता प्राप्त की। इसे एक अदृश्य हवा के कुशन पर घूमते हुए लट्टू को संतुलित करने जैसा समझें, लेकिन हवा के बजाय, यह एक चुंबकीय क्षेत्र है, और लट्टू एक छोटा चुंबकीय बार है। शोधकर्ताओं ने इस चुंबकीय बार को एक लंबी, पतली छड़ के आकार में ढाला और इसे एक मजबूत उठाने वाले चुंबक और बिस्मथ नैनोकणों से बनी दो प्लेटों के बीच लटकाया। ये बिसमथ प्लेटें एक जादुई ट्रैम्पोलिन की तरह कार्य करती हैं जो चुंबक को ऊपर की ओर धकेलती हैं, जिससे वह बिना किसी चीज़ को छुए तैरता रहता है।
इस प्रयोग का जादू इस बात में निहित है कि उन्होंने सिस्टम को कितना शांत बनाया है। आमतौर पर, जब कोई धातु की वस्तु चुंबकीय क्षेत्र में घूमती है, तो वह अपने भीतर छोटे-छोटे घूमते हुए विद्युत प्रवाह (जिसे एडी करंट या eddy currents कहा जाता है) पैदा करती है, जो घर्षण की तरह कार्य करते हैं, जिससे उसकी गति धीमी हो जाती है और शोर उत्पन्न होता है। टीम ने इसे बिसमथ नैनोकणों का उपयोग करके हल किया जो हवा के संपर्क में आने पर स्वाभाविक रूप से एक पतली, इन्सुलेटिंग त्वचा विकसित करते हैं। यह त्वचा विद्युत धाराओं को स्वतंत्र रूप से बहने से रोकती है, जिससे प्रभावी रूप से "घर्षण" बंद हो जाता है। उन्होंने बाहरी चुंबकीय शोर को रोकने के लिए पूरे सेटअप को विशेष ढालों (shields) में लपेटा और फर्श के कंपन से प्रयोग को बचाने के लिए इसे एक बहु-स्तरीय निलंबन प्रणाली (suspension system) पर रखा।
परिणामस्वरूप, उन्हें एक अत्यंत संवेदनशील मैग्नेटोमीटर प्राप्त हुआ। जब उन्होंने इसका परीक्षण किया, तो तैरते हुए चुंबक ने लगभग 153 हर्ट्ज़ की आवृत्ति पर 23 फेम्टोटेस्ला प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ (23 fT/√Hz) जितने कमजोर चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाया। इसे समझने के लिए, एक फेम्टोटेस्ला पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र का एक क्वाड्रिलियनवां हिस्सा है। इस स्तर की संवेदनशीलता आमतौर पर उन प्रणालियों में देखी जाती है जिन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा किया जाता है, लेकिन यह एक सामान्य कमरे में काम करता है। शोधकर्ताओं ने एक ज्ञात चुंबकीय संकेत के साथ चुंबक को धीरे से हिलाकर इस संवेदनशीलता की पुष्टि की, और पाया कि उनके माप उनके अनुमानों से पूरी तरह मेल खाते थे।
हालाँकि, शोध पत्र सावधानीपूर्वक यह उल्लेख करता है कि यह अभी अंतिम सीमा नहीं है। वर्तमान संवेदनशीलता मुख्य रूप से पर्यावरण से होने वाले सूक्ष्म कंपनों के कारण बाधित है, न कि स्वयं चुंबक के कारण। टीम का सुझाव है कि कुछ और सुधारों के साथ—जैसे कि आइसोलेशन सिस्टम को और बेहतर बनाना और ऐसी सामग्रियों का उपयोग करना जिनमें और भी कम आंतरिक "घर्षण" (चुंबकीय हिस्टेरेसिस) हो—वे संवेदनशीलता को सब-फेम्टोटेस्ला स्तर (1 fT/√Hz से कम) तक ले जा सकते हैं। यह उपकरण उन्हें एक्सियॉन (axions) या डार्क फोटॉन जैसे विलक्षण कणों की खोज करने के लिए, जो डार्क मैटर के उम्मीदवार हैं, या अभूतपूर्व विवरण के साथ जैविक ऊतकों के चुंबकीय क्षेत्रों का मानचित्रण करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील बना देगा। फिलहाल के लिए, उन्होंने यह सिद्ध कर दिया है कि एक तैरता हुआ, कमरे के तापमान वाला चुंबक प्रकृति के अदृश्य बलों के लिए एक विश्व स्तरीय जासूस हो सकता है।
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