Real-time ESR tracking for sub-micron 3D magnetic mapping with VB- quantum sensors in hexagonal boron nitride

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हम उन अदृश्य बलों को देख सकते हैं जो हमारी तकनीक को आकार देते हैं। चुंबकीय क्षेत्र हर जगह मौजूद हैं, जो स्मार्टफोन में कंपास से लेकर कंप्यूटर चिप में डेटा स्ट्रीम तक, सब कुछ निर्देशित करते हैं, फिर भी वे मानवीय आँखों के लिए छिपे हुए रहते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इन क्षेत्रों को अत्यधिक सटीकता के साथ मैप करने का एक तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जो एक एकल कोशिका या एक छोटे से सर्किट के पैमाने तक हो। चुनौती एक ऐसे सेंसर को खोजने की थी जो इन तंग जगहों में फिट होने के लिए पर्याप्त छोटा हो और इतना संवेदनशील हो कि चुंबकत्व की सबसे हल्की फुसफुसाहट को भी पकड़ सके। जबकि वैज्ञानिक इस उद्देश्य के लिए लंबे समय से हीरों में मौजूद सूक्ष्म दोषों (defects) का उपयोग करते रहे हैं, अब एक अलग सामग्री में एक नया क्षितिज खुला है: बोरॉन नाइट्राइड की एक शीट, जो एक परमाणु जितनी पतली सामग्री है। यह सामग्री एक विशेष प्रकार की खामी रखती है, एक गायब परमाणु जो एक छोटे, प्रकाश-संवेदनशील मैग्नेटोमीटर की तरह कार्य करता है, जो अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ चुंबकीय परिदृश्य को प्रकट करने में सक्षम है।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने यह सिद्ध करने का प्रयास किया कि ये बोरॉन नाइट्राइड सेंसर केवल चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाने से कहीं अधिक कर सकते हैं; वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे एक चुंबकीय वस्तु की पूर्ण त्रि-आयामी (3D) तस्वीर बनाने के लिए वास्तविक समय में परिवर्तनों को ट्रैक कर सकते हैं। टीम ने हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड के एक विशिष्ट प्रकार के दोष पर ध्यान केंद्रित किया, जो अपनी मजबूती और स्थिरता के लिए जानी जाने वाली एक द्वि-आयामी (2D) सामग्री है। ये दोष, जो तब बनते हैं जब क्रिस्टल लैटिस से एक बोरॉन परमाणु गायब होता है, एक अनूठी विशेषता रखते हैं: जब इन्हें लेजर से टकराया जाता है तो ये एक विशिष्ट रंग के साथ चमकते हैं, और इनकी चमक के रंग का स्तर उनके आस-पास के चुंबकीय वातावरण के आधार पर बदल जाता है। इन बिंदुओं पर लेजर चमकाकर और एक विशिष्ट रेडियो-फ्रीक्वेंसी सिग्नल को सुनकर जो उनकी चमक को कम कर देता है, वैज्ञानिक उस बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की सटीक शक्ति निर्धारित कर सकते हैं। यह विधि, जिसे ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस (ODMR) कहा जाता है, पहले भी उपयोग की जा चुकी है, लेकिन यह काफी धीमी थी। एक छोटे से क्षेत्र का विस्तृत मानचित्र बनाने के लिए, पिछली विधियों को एक ही स्थान पर घंटों तक डेटा एकत्र करने के लिए रुकना पड़ता था, जिससे यह देखना असंभव हो जाता था कि क्षेत्र कितनी तेज़ी से बदल रहा है या कुशलता से 3D मॉडल कैसे बनाया जाए।

शोधकर्ताओं ने स्थिर स्कैनिंग को रोककर एक गतिशील ट्रैकिंग प्रक्रिया शुरू करके खेल बदलने का निर्णय लिया। पूरे चुंबकीय स्पेक्ट्रम का हर बिंदु पर स्नैपशॉट लेने के बजाय, उन्होंने अपने सिस्टम को केवल एक विशिष्ट आवृत्ति (frequency) का पीछा करने के लिए ट्यून किया जो चुंबकीय क्षेत्र के बदलने के साथ बदलती है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे रेडियो को एक ही स्टेशन पर ट्यून करना और स्थैतिक शोर (static) को सुनकर यह पता लगाना कि आप प्रसारण टावर से कितनी दूर हैं, बजाय इसके कि हर सेकंड पूरे डायल को स्कैन किया जाए। इस आवृत्ति पर लॉक होकर और इसे वास्तविक समय में चलते हुए देखकर, टीम चुंबकीय क्षेत्र की निरंतर निगरानी कर सकी। उन्होंने इस तकनीक को एक छोटे, शंक्वाकार (cone-shaped) चुंबकीय टिप पर लागू किया, जो स्टील के तार का एक टुकड़ा था जिसे केवल कुछ माइक्रोमीटर चौड़ा बनाया गया था। इस टिप को बोरॉन नाइट्राइड सेंसर के नमूने के चारों ओर घुमाया गया, जो पूरी तरह से स्थिर रहा। जैसे-जैसे टिप ऊपर, नीचे और चारों ओर घूमती गई, सेंसर ने बदलते चुंबकीय क्षेत्र को ट्रैक किया, जिससे टीम को टिप के नुकीले सिरे से निकलने वाले चुंबकीय बल का पूर्ण त्रि-आयामी मानचित्र पुनर्निर्मित करने में मदद मिली।

परिणाम गति और विवरण में एक महत्वपूर्ण छलांग थे। जबकि पारंपरिक विधियों को रेत के दाने के आकार के क्षेत्र को मैप करने में दस घंटे या उससे अधिक समय लग सकता है, इस नए दृष्टिकोण ने वही कार्य कुछ ही मिनटों में पूरा कर लिया। टीम ने चुंबकीय क्षेत्र का एक विस्तृत 3D मानचित्र सफलतापूर्वक बनाया, जो दिखाया कि बल टिप के शीर्ष से कैसे फैलता है। उन्होंने 54 माइक्रो टेस्ला प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ की संवेदनशीलता के साथ क्षेत्र की शक्ति को मापा, जो एक ऐसा स्तर है जो स्वयं प्रकाश के मौलिक शोर द्वारा सीमित है। उन्होंने यह भी मापा कि दूरी के साथ चुंबकीय क्षेत्र कितनी तेज़ी से बदलता है, जिससे 3.6 माइक्रो टेस्ला प्रति नैनोमीटर का ग्रेडिएंट प्राप्त हुआ, और 6 मिलीटेस्ला प्रति सेकंड की दर से होने वाले क्षेत्र परिवर्तन को ट्रैक किया। उनके द्वारा बनाए गए चित्रों ने चुंबकीय क्षेत्र के अपेक्षित गोलाकार पैटर्न दिखाए, जिसमें टिप के करीब आने पर तीव्रता बढ़ती हुई दिखाई दी। डेटा एक आदर्श शंकु के कंप्यूटर सिमुलेशन से मेल खाता था, जिससे पुष्टि हुई कि सेंसर चुंबकीय क्षेत्र के जटिल आकार को सटीक रूप से कैप्चर कर रहा है, यहाँ तक कि वास्तविक धातु टिप की मामूली अनियमितताओं के बावजूद।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि बोरॉन नाइट्राइड सेंसर केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं हैं बल्कि तेज़, उच्च-रिज़ॉल्यूशन चुंबकीय इमेजिंग के लिए एक व्यावहारिक उपकरण हैं। स्थिर माप से वास्तविक समय की ट्रैकिंग में स्विच करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब चुंबकीय घटनाओं को होने के दौरान देख सकते हैं, बजाय इसके कि वे केवल एक जमे हुए औसत को देखें। अध्ययन ने दिखाया कि सेंसर के सापेक्ष चुंबकीय नमूने की स्थिति को नियंत्रित करके, प्रकाश के विवर्तन (diffraction) द्वारा सीमित रिज़ॉल्यूशन के साथ 3D मानचित्र बनाना संभव है, जो कि एक मानक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप द्वारा देखी जाने वाली सबसे छोटी विवरण सीमा है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि सिग्नल का कंट्रास्ट डायमंड सेंसर की तुलना में कम था, लेकिन बोरॉन नाइट्राइड दोषों से प्रकाश उत्सर्जन की उच्च दर ने इसकी भरपाई कर दी, जिससे बिना सेंसर को गर्म किए तीव्र डेटा संग्रह संभव हो सका। यह दृष्टिकोण सूक्ष्म-सर्किटों में चुंबकीय क्षेत्रों को मैप करने, चुंबकीय नैनोकणों का अध्ययन करने और संभावित रूप से जैविक नमूनों के चुंबकीय गुणों की इमेजिंग करने के द्वार खोलता है, जो पहले की तुलना में बहुत अधिक गति और सटीकता के साथ संभव है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह फ्रीक्वेंसी-ट्रैकिंग विधि दृश्य चुंबकीय दुनिया को देखने का एक व्यवहार्य और तेज़ तरीका है, जो पारंपरिक तकनीकों की तुलना में इमेजिंग के समय को कम से कम दस गुना कम कर देती है।