On-chip nanoplasma for adaptive electromagnetic protection

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, हमारी जेब में रखे स्मार्टफोन से लेकर विमानों का मार्गदर्शन करने वाले रडार सिस्टम तक, एक नाजुक हार्डवेयर परत पर निर्भर करते हैं जिसे रेडियो-फ्रीक्वेंसी फ्रंट एंड कहा जाता है। यह वह इंटरफेस है जहाँ एक मशीन विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम की अदृश्य तरंगों को सुनती है, और सूचनाओं को संसाधित करने के लिए संकेतों को पकड़ती है। इन प्रणालियों के कार्य करने के लिए, उन्हें एक दूर स्थित उपग्रह की फुसफुसाहट सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील होना चाहिए, फिर भी पास के हस्तक्षेप के शोर को अनदेखा करने के लिए पर्याप्त मजबूत होना चाहिए। हालाँकि, इस नाजुक संतुलन पर एक बढ़ता हुआ खतरा मंडरा रहा है: उच्च-शक्ति वाले माइक्रोवेव। ये ऊर्जा के तीव्र विस्फोट हैं, जो अक्सर विशेष हथियारों या औद्योगिक स्रोतों द्वारा उत्पन्न होते हैं, जो इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में प्रवेश कर उन्हें एक सेकंड के अंश में नष्ट करने में सक्षम हैं। क्षति अक्सर अपरिवर्तनीय होती है, जिससे ड्रोन, उपग्रह और स्वायत्त रोबोट जैसे महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे पूरी तरह से ठप हो जाते हैं। इन प्रणालियों की सुरक्षा के लिए एक ऐसे ढाल की आवश्यकता है जो एक स्मार्ट गेटकीपर की तरह कार्य कर सके, जो सामान्य संकेतों को बिना किसी नुकसान के गुजरने दे, जबकि खतरनाक उछाल (सर्ज) के सामने तुरंत बंद हो जाए।

वर्षों से, इंजीनियर अर्धचालक डायोड (semiconductor diodes) पर इस गेटकीपिंग कार्य को करने के लिए भरोसा करते आए हैं। ये छोटे घटक स्विच के रूप में कार्य करते हैं जो आने वाले संकेत की शक्ति के आधार पर अपने विद्युत व्यवहार को बदलते हैं। जब एक सामान्य संकेत आता है, तो डायोड खुला रहता है, जिससे डेटा प्रवाहित होता है। जब कोई खतरनाक उच्च-शक्ति वाला माइक्रोवेव आता है, तो डायोड को बंद हो जाना चाहिए, जिससे ऊर्जा बाधित हो सके। फिर भी, जैसे-जैसे खतरे विकसित हुए हैं, अधिक तेज़ और शक्तिशाली हुए हैं, इन पारंपरिक स्विचों ने विफल होना शुरू कर दिया है। वे छिपे हुए विद्युत दोषों से जूझते हैं जो उच्च आवृत्तियों पर उनकी गति को धीमा कर देते हैं, और वे एक विशाल उछाल को रोकने के दौरान उत्पन्न होने वाली तीव्र गर्मी को सोखने में संघर्ष करते हैं। कई मामलों में, गर्मी इतनी तेज़ी से बढ़ती है कि डायोड पिघल जाता है या शॉर्ट हो जाता है, जिससे सिस्टम असुरक्षित रह जाता है। एक बेहतर समाधान की आवश्यकता अत्यंत आवश्यक हो गई है, जिसने शोधकर्ताओं को पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स की सीमाओं से परे देखने के लिए प्रेरित किया है।

राष्ट्रीय रक्षा प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक क्रांतिकारी विकल्प प्रस्तावित किया है: एक स्विच जो एक ठोस अर्धचालक के टुकड़े से नहीं, बल्कि एक कंप्यूटर चिप पर फंसे एक छोटे, नियंत्रित प्लाज्मा विस्फोट से बना है। वे इसे 'नैनोप्लाज्मा स्विच' कहते हैं। एक ठोस सामग्री के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की गति पर निर्भर रहने के बजाय, यह उपकरण गैलियम नाइट्राइड से बने दो इलेक्ट्रोड के बीच एक सूक्ष्म अंतराल का उपयोग करता है, जो अत्यधिक गर्मी और विकिरण को सहने की क्षमता के लिए जाना जाता है। सामान्य परिस्थितियों में, यह अंतराल हवा से भरा होता है, जो एक इंसुलेटर के रूप में कार्य करता है और संकेतों को स्वतंत्र रूप से गुजरने देता है। लेकिन जब एक उच्च-शक्ति वाला माइक्रोवेव टकराता है, तो तीव्र विद्युत क्षेत्र धातु के इलेक्ट्रोडों से इलेक्ट्रॉनों को इतनी हिंसक रूप से खींच लेता है कि वे हवा के अणुओं को फाड़ देते हैं, जिससे आयनित गैस का एक अत्यधिक प्रवाहकीय बादल, या प्लाज्मा बनता है। यह प्लाज्मा एक नैनोसेकंड के अंश में बनता है, जो अंतराल को तुरंत पाट देता है और आने वाले खतरे को रोकने के लिए डिवाइस को शॉर्ट-सर्किट कर देता है। एक बार खतरा गुजर जाने के बाद, प्लाज्मा गायब हो जाता है, और स्विच अपनी खुली अवस्था में वापस आ जाता है, जो अगले संकेत के लिए तैयार रहता है।

शोधकर्ताओं ने इन स्विचों को सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्स पर बनाया है, जो एक ऐसा पदार्थ है जिसे इसके उत्कृष्ट तापीय गुणों के लिए चुना गया है। पारंपरिक धातु इलेक्ट्रोडों के विपरीत, जो अत्यधिक गर्मी के तहत पिघल सकते हैं और आपस में जुड़ सकते हैं, गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड के बीच के बंधन इतने मजबूत होते हैं कि वे तरल में पिघलने के बजाय गैस में टूट जाते हैं। यह अनूठा व्यवहार स्विच को स्थायी रूप से बंद स्थिति में फंसने से रोकता है, जो पुराने डिजाइनों का एक सामान्य विफलता मोड है। अपने विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने उपकरणों की एक श्रृंखला बनाई, जिसमें तरंगों को निर्देशित करने वाली छोटी संरचनाओं वाला एक सपाट सतह, एक सुरक्षात्मक एंटीना और एक सर्किट लिमिटर शामिल था। उन्होंने इन उपकरणों को शक्तिशाली माइक्रोवेव पल्स के अधीन किया और मापा कि वे कैसा प्रदर्शन करते हैं। परिणाम आश्चर्यजनक थे। नैनोप्लाज्मा स्विचों ने मौजूदा डायोड-आधारित संरक्षकों की तुलना में लगभग दोगुनी विद्युत क्षेत्र सहनशीलता प्रदर्शित की, जो बिना विफल हुए 123,000 वोल्ट प्रति मीटर तक के क्षेत्रों को झेल सके। वे कु बैंड (Ku band) सहित आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में प्रभावी ढंग से संचालित हुए, जो उपग्रह संचार और रडार के लिए महत्वपूर्ण है।

प्रयोगों के एक सेट में, टीम ने इन स्विचों को एक मेटासरफेस (metasurface) में एकीकृत किया, जो विद्युत चुम्बकीय तरंगों को नियंत्रित करने के लिए डिज़ाइन की गई एक कृत्रिम सामग्री है। जब कम-शक्ति वाले संकेत सतह से टकराते हैं, तो स्विच खुले रहते हैं, और तरंगें लगभग बिना किसी नुकसान के गुजर जाती हैं। जब उच्च-शक्ति वाले पल्स आते हैं, तो स्विच सक्रिय हो जाते हैं, और सतह तुरंत एक ढाल में बदल जाती है, जो खतरनाक ऊर्जा को दूर परावर्तित कर देती है। यह परिवर्तन इतनी तेज़ी से हुआ कि आउटपुट सिग्नल सुचारू रहा, जिसमें कोई स्पाइक या लीकेज नहीं था जो संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स को नुकसान पहुँचा सके। शोधकर्ताओं ने एक सुरक्षात्मक एंटीना और एक सर्किट लिमिटर का भी परीक्षण किया, दोनों ने समान लचीलापन दिखाया। उदाहरण के लिए, एंटीना सामान्य संकेतों को स्पष्ट रूप से प्राप्त कर सकता था, लेकिन उच्च-शक्ति वाले बीम से टकराने पर यह रेडिएट करने या प्राप्त करने की अपनी क्षमता को बंद कर देगा, जिससे यह खतरे से खुद को प्रभावी ढंग से छिपा लेगा। सर्किट लिमिटर एक सुरक्षा वाल्व की तरह कार्य करता है, जो सामान्य शक्ति को गुजरने देता है लेकिन किसी भी वोल्टेज पर नियंत्रण लगा देता है जो एक सुरक्षित सीमा से अधिक हो।

इस दृष्टिकोण को जो बात विशेष रूप से आशाजनक बनाती है, वह इसकी गति और स्थायित्व है। स्विच पिकोसेकंड (picoseconds) में मापी जाने वाली गति पर संचालित होते हैं, जो पारंपरिक डायोड के नैनोसेकंड प्रतिक्रिया समय से एक हजार गुना तेज़ है। यह गति महत्वपूर्ण है क्योंकि उच्च-शक्ति वाले माइक्रोवेव अक्सर इतने छोटे पल्स में आते हैं कि धीमे स्विच समय पर प्रतिक्रिया नहीं दे पाते। इसके अलावा, टीम ने पाया कि उपकरण बिना खराब हुए हजारों बार दोहराव वाले पल्स से जीवित रह सकते हैं, जो यह सुझाव देता है कि वे लंबे समय तक संपर्क के दौरान प्रणालियों की रक्षा कर सकते हैं। यह डिज़ाइन अत्यधिक स्केलेबल भी है, जिसका अर्थ है कि इसे मानक चिप-निर्माण तकनीकों का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता है और संभावित रूप से मिलीमीटर तरंगों और टेराहर्ट्ज़ विकिरण जैसे उच्च आवृत्तियों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जो भविष्य के संचार और इमेजिंग प्रौद्योगिकियों की अग्रिम सीमाएँ हैं।

हालाँकि यह तकनीक अभी विकास के शुरुआती चरणों में है, लेकिन इसके निष्कर्ष अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम को सुरक्षित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। नाजुक सेमीकंडक्टर स्विचों को मजबूत, ऑन-चिप नैनोप्लाज्मा उपकरणों से बदलकर, इंजीनियरों के पास अंततः अपने महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे को आधुनिक दुनिया के बढ़ते शक्तिशाली विद्युत चुम्बकीय खतरों से बचाने का एक तरीका हो सकता है। यह कार्य केवल मौजूदा सुरक्षा में सुधार नहीं करता है; यह एक मशीन के स्वयं को बचाने के मौलिक तंत्र की पुनर्कल्पना करता है, जो एक चिप पर एक छोटे से अंतराल को एक गतिशील ढाल में बदल देता है जो माइक्रोवेव तूफान के प्रकोप को सह सकता है। जैसे-जैसे शोधकर्ता सामग्रियों और डिजाइनों को परिष्कृत करना जारी रखते हैं, यह दृष्टिकोण हमारी सबसे उन्नत प्रौद्योगिकियों को सुरक्षित रखने के लिए मानक बन सकता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि वे तब भी कार्यात्मक रहें जब विद्युत चुम्बकीय वातावरण प्रतिकूल हो जाए।