A cold-insertable scanning probe microscope for dry dilution refrigerators with picometer stability and ultra-low electron temperatures

क्वांटम सामग्रियों की विचित्र दुनिया को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को उन्हें एक ऐसे सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) से देखना होगा जो व्यक्तिगत परमाणुओं को देखने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हो। इन सामग्रियों में, जिनमें विलक्षण सुपरकंडक्टर्स और चुंबकीय अवस्थाएं शामिल हैं, भविष्य के कंप्यूटिंग और ऊर्जा के रहस्य छिपे हैं, लेकिन उनका व्यवहार अक्सर बहुत सूक्ष्म स्तर पर नाजुक और छिपा हुआ होता है। इन रहस्यों को उजागर करने के लिए, शोधकर्ता स्कैनिंग प्रोब माइक्रोस्कोपी नामक एक तकनीक का उपयोग करते हैं, जहाँ एक नुकीली टिप सतह के ऊपर घूमती है, और अत्यंत सटीकता के साथ उसके उभारों और विद्युत गुणों को महसूस करती है। हालाँकि, इन सामग्रियों की वास्तविक प्रकृति को देखने के लिए, सूक्ष्मदर्शी को एक गहरे जमाव (डीप फ्रीज) में संचालित होना चाहिए, जो हमारे सौर मंडल के किसी भी ग्रह की सतह से भी अधिक ठंडा हो, ताकि परमाणुओं को गर्मी के कारण होने वाली थरथराहट से रोका जा सके। दशकों तक, इन तापमानों तक पहुँचने का सबसे अच्छा तरीका लिक्विड हीलियम का उपयोग करना था, जो एक महंगी और घटती जा रही संसाधन है जिसे लगातार भरने की आवश्यकता होती थी। वैज्ञानिक समुदाय काफी हद तक "ड्राय" रेफ्रिजरेटरों की ओर स्थानांतरित हो गया है जो बिना तरल के नमूनों को ठंडा करने के लिए मैकेनिकल पंपों का उपयोग करते हैं, लेकिन ये मशीनें एक नई समस्या पैदा करती हैं: वे तीव्रता से कंपन करती हैं। मैकेनिकल पंप, जिन्हें पल्स ट्यूब कहा जाता है, एक लयबद्ध झटके पैदा करते हैं जो सूक्ष्मदर्शी द्वारा पता लगाने के लिए आवश्यक सूक्ष्म गतिविधियों की तुलना में हजारों गुना अधिक शक्तिशाली होते हैं। यह कंपन लंबे समय से एक बाधा रहा है, जिसने वैज्ञानिकों को एक सुविधाजनक, कम रखरखाव वाली मशीन और क्वांटम दुनिया को देखने के लिए आवश्यक अति-स्थिर वातावरण के बीच चयन करने के लिए मजबूर किया है।

हांगकांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा सूक्ष्मदर्शी बनाकर इस दुविधा को हल कर लिया है जो अपनी स्थिरता खोए बिना एक ड्राय रेफ्रिजरेटर के भीतर काम कर सकता है। उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो एक कठोर, कस्टम-निर्मित स्कैनिंग हेड को एक चतुर सस्पेंशन सिस्टम के साथ जोड़ता है जो मशीन के झटकों को सोख लेता है। परिणाम एक ऐसा सूक्ष्मदर्शी है जो केवल दस पिकोमीटर की सटीकता के साथ अपनी स्थिति बनाए रख सकता है, यह एक दूरी इतनी छोटी है जो एक एकल परमाणु की चौड़ाई के एक अंश के बराबर है। यह उपलब्धि उन्हें साठ मिलीकेल्विन जैसे कम तापमान पर सामग्रियों के विद्युत गुणों का मानचित्रण करने की अनुमति देती है, जो कि एक ऐसा ठंडा स्तर है जिसे पहले एक कंपन करने वाले, ड्राय वातावरण में पहुँचना असंभव माना जाता था। यह सिद्ध करके कि उच्च स्थिरता और अत्यधिक ठंड बिना रेफ्रिजरेटर में स्थायी संशोधनों के सह-अस्तित्व में रह सकते हैं, टीम ने प्रयोगों की एक नई पीढ़ी के लिए द्वार खोल दिया है जो तेजी और विश्वसनीयता के साथ नाजुक क्वांटम चरणों की खोज कर सकते हैं।

मुख्य चुनौती ड्राय रेफ्रिजरेटर की प्रकृति में निहित है। जबकि ये मशीनें ठंडा करने में उत्कृष्ट हैं, उनके आंतरिक पंप हर सेकंड या उसके आसपास एक वाल्व को चक्रित करते हैं, जिससे एक कम-आवृत्ति वाला धमक (थम्पिंग) उत्पन्न होता है जो पूरी संरचना के माध्यम से यात्रा करता है। यदि एक मानक सूक्ष्मदर्शी को इसके अंदर रखा जाए, तो यह धमक स्कैनिंग टिप को बेतहाशा उछाल देगी, जिससे छवि धुंधली हो जाएगी और सटीक माप असंभव हो जाएगा। इसे ठीक करने के पिछले प्रयासों में विशाल, जटिल आइसोलेशन सिस्टम बनाना या पंपों को अलग करने के लिए रेफ्रिजरेटर को स्थायी रूप से बदलना शामिल था, जिससे मशीनें उपयोग करने में कठिन और नए नमूनों को लोड करने में धीमी हो जाती थीं। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि सफल होने के लिए, उन्हें एक साथ दो कोणों से समस्या पर प्रहार करने की आवश्यकता थी: उन्हें सूक्ष्मदर्शी को स्वयं अविश्वसनीय रूप से सख्त बनाना था ताकि वह कंपनों से आसानी से न मुड़े, और उन्हें इसे इस तरह से लटकाना था कि यह रेफ्रिजरेटर के शोर को रोके बिना विशिष्ट आवृत्ति को सोख सके।

सूक्ष्मदर्शी बनाने के लिए, टीम ने पूरी तरह से उच्च गुणवत्ता वाले तांबे से बने एक मॉड्यूल को डिजाइन किया, जिसे नमूने से गर्मी को कुशलतापूर्वक दूर ले जाने की क्षमता के लिए चुना गया था। उन्होंने इस तांबे को एक ठोस, सघन रूप में आकार दिया जो इसकी प्राकृतिक अनुनाद आवृत्तियों (रेजोनेंट फ्रीक्वेंसी) को रेफ्रिजरेटर के शोर की सीमा से बहुत ऊपर धकेल देता है। मानक वाणिज्यिक भागों का उपयोग करने के बजाय, जो कम आवृत्तियों पर डगमगा सकते हैं, उन्होंने एक कस्टम "वॉकर" तंत्र का निर्माण किया जो नमूने को बड़ी कठोरता के साथ तीन आयामों में घुमाता है। यह सख्त डिजाइन सुनिश्चित करता है कि सूक्ष्मदर्शी के अपने हिस्से बाहरी झटकों को बढ़ा न दें। हालाँकि, केवल कठोरता पर्याप्त नहीं थी; पूरे मॉड्यूल को अभी भी रेफ्रिजरेटर के मिक्सिंग चैंबर से अलग करने की आवश्यकता थी, जहाँ नमूना स्थित होता है। टीम ने इस भारी तांबे के मॉड्यूल को कॉपर-बेरिलियम मिश्र धातु से बनी तीन लंबी, पतली स्प्रिंग्स पर लटकाया। ये स्प्रिंग्स एक नरम फिल्टर के रूप में कार्य करते हैं, जो सूक्ष्मदर्शी की उच्च-आवृत्ति वाले कंपनों को स्थिर रहने देते हैं जबकि रेफ्रिजरेटर के निम्न-आवृत्ति वाले शोर को रोक देते हैं।

डिजाइन का सबसे कठिन हिस्सा स्प्रिंग्स के साथ निपटना था। क्योंकि स्प्रिंग्स नरम होते हैं, उनकी अपनी एक प्राकृतिक आवृत्ति होती है जो संयोग से रेफ्रिजररेटर के पंप की लय से मेल खाती है। हस्तक्षेप के बिना, यह सूक्ष्मदर्शी को ठीक उसी क्षण झूला झुलाने जैसा बना देगा जब उसे धक्का दिया जा रहा हो। इसे रोकने के लिए, टीम ने एक अद्वितीय डैम्पिंग सिस्टम का आविष्कार किया जो चुंबकों के बिना काम करता है, जो आवश्यक है क्योंकि प्रयोग एक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र के भीतर होता है। उन्होंने निलंबित सूक्ष्मदर्शी के नीचे लगे एक हुक को नरम कॉपर वूल (तांबे की ऊन) से भरे बर्तन में डुबो दिया। जैसे ही हुक हिलता है, कॉपर वल विकृत होती है और ऊर्जा को सोख लेती है, जो एक गाढ़े तरल की तरह कार्य करती है जो गति को रोकने के लिए इसे बस इतना धीमा कर देती है कि झूलने को रोका जा सके बिना सिस्टम को जमने दिए। यह महत्वपूर्ण डैम्पिंग सुनिश्चित करती है कि सूक्ष्मदर्शी स्थिर रहे, भले ही रेफ्रिजररेटर पंप करता रहे।

एक बार जब यांत्रिक स्थिरता सुरक्षित हो गई, तो टीम को नमूने को ठंडा रखने की समस्या को हल करना था। आमतौर पर, स्प्रिंग्स और तार जिन्हें सूक्ष्मदर्शी को बाहरी दुनिया से जोड़ने की आवश्यकता होती है, थर्मल ब्रिज के रूप में कार्य करते हैं, जिससे गर्मी अंदर आती है और नमूने को गर्म कर देती है। शोधकर्ताओं ने अल्ट्रा-थिन, लचीली कॉपर ब्रेड्स और विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए वायरिंग का उपयोग करके इस समस्या को दूर किया, जो बिजली का संचालन तो अच्छी तरह से करते हैं लेकिन गर्मी को रोकते हैं। उन्होंने इलेक्ट्रॉनिक शोर को नमूने को गर्म करने से रोकने के लिए इलेक्ट्रिकल लाइनों में फिल्टर की परतें भी जोड़ीं। इन कनेक्शनों का सावधानीपूर्वक प्रबंधन करके, वे नमूने के इलेक्ट्रॉनों को साठ मिलीकेल्विन के तापमान तक ठंडा करने में सक्षम हुए, जो सूक्ष्मदर्शी के परमाणुओं के परिवेशी जाली (लैटिस) की तुलना में भी अधिक ठंडा है। यह सिद्ध करता है कि यांत्रिक अलगाव का अर्थ थर्मल प्रदर्शन की कीमत चुकाना नहीं था।

अपने निर्माण का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन चिप पर छोटे सोने के वर्गों (गोल्ड स्क्वेयर्स) से बने एक परीक्षण नमूने को स्कैन करने के लिए सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया। उन्होंने सतह के ऊपर मंडराती टिप की स्थिरता को मापा और पाया कि कंपन उस स्तर तक कम हो गए जहाँ टिप औसतन दस पिकोमीटर से कम चलती है। यह समान ड्राय रेफ्रिजरेटर्स में पिछले प्रयासों की तुलना में सौ गुना अधिक स्थिर है। इसके बाद उन्होंने सोने के वर्गों की छवियां लेने के लिए सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया, जिससे उनके भौतिक आकार और उनकी विद्युत चालकता दोनों का मानचित्रण किया गया। छवियां स्पष्ट थीं और उस धुंधलेपन से मुक्त थीं जो आमतौर पर इन प्रयोगों में बाधा डालता है, जिससे सूक्ष्म विवरण सामने आए जो पहले अदृश्य थे। टीम ने एक विशेष थर्मामीटर का उपयोग करके नमूने के तापमान को भी सत्यापित किया, जिससे पुष्टि हुई कि यांत्रिक अलगाव के बावजूद इलेक्ट्रॉन अत्यंत निम्न लक्ष्य तक ठंडे हो गए थे।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि तेज़ नमूना लोडिंग की सुविधा से समझौता किए बिना, एक ड्राय, क्रायोजेन-मुक्त वातावरण में उच्चतम स्तर की सटीकता प्राप्त करना संभव है। यह डिजाइन मॉड्यूलर है, जिसका अर्थ है कि इसे चुंबकीय क्षेत्रों या एकल इलेक्ट्रॉनों का अध्ययन करने वाले अन्य प्रकार के स्कैनिंग प्रोब के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। रेफ्रिजरेटर में स्थायी, जटिल संशोधनों की आवश्यकता को हटाकर, शोधकर्ताओं ने एक व्यावहारिक ढांचा प्रदान किया है जिसका उपयोग अन्य वैज्ञानिक क्वांटम दुनिया की खोज के लिए कर सकते हैं। व्यक्तिगत परमाणुओं को देखने और इतने कम तापमान पर उनके गुणों को मापने की क्षमता, नाजुक क्वांटम चरणों के अध्ययन को तेज करती है, जिससे हमें उन सामग्रियों को समझने के करीब लाया जा सकता है जो अगली पीढ़ी की तकनीक को परिभाषित करेंगी।