Development of Neutron Transmutation Doped Germanium (NTD-Ge) for Cryogenic Applications

कण भौतिकी (पार्टिकल फिजिक्स) की प्रयोगशालाओं के शांत शोर के बीच, वैज्ञानिक ऐसे उपकरण बना रहे हैं जो ब्रह्मांड की सबसे मंद फुसफुसाहटों को सुनने में सक्षम हैं। ये उपकरण, जिन्हें क्रायोजेनिक डिटेक्टर कहा जाता है, एक एकल परमाणु के क्षय या डार्क मैटर के कण के टकराव जैसी दुर्लभ घटनाओं को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। ऐसा करने के लिए, उन्हें अंतरिक्ष के निर्वात से भी ठंडे तापमान तक ठंडा किया जाना चाहिए, जो अक्सर परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) से केवल कुछ हजारवें अंश ऊपर होता है। इन अत्यधिक निम्न तापमानों पर, गुजरते हुए कण से उत्पन्न होने वाली गर्मी की सूक्ष्म से सूक्ष्म मात्रा को भी महसूस किया जा सकता है, लेकिन तभी जब उस गर्मी को मापने वाला थर्मामीटर उस परिवर्तन को नोटिस करने के लिए पर्याप्त संवेदनशील हो। दशकों से, शोधकर्ता जर्मेनियम से बने एक विशिष्ट प्रकार के सेंसर पर भरोसा करते आए हैं, जो सिलिकॉन के समान एक चमकदार, भंगुर मेटालॉइड है, ताकि यह एक अत्यंत संवेदनशील कान के रूप में कार्य कर सके। चुनौती हमेशा इन सेंसरों को पूरी तरह से एक समान और विश्वसनीय बनाने की रही है ताकि भौतिकी के सबसे कीमती डेटा पर भरोसा किया जा सके।

चीन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब इन सेंसरों को शुरुआत से बनाने का एक पूर्ण, चरण-दर-चरण मार्ग तैयार किया है, जिससे यह सिद्ध हुआ है कि इन्हें उच्च सटीकता के साथ स्थानीय रूप से बनाया जा सकता है। उनका कार्य 'न्यूट्रॉन ट्रांसम्यूटेशन डोपिंग' नामक एक तकनीक पर केंद्रित है। कल्पना कीजिए कि आप शुद्ध जर्मेनियम का एक ब्लॉक लेते हैं और उसे एक परमाणु रिएक्टर के अंदर रखते हैं। वहाँ, जर्मेनियम के परमाणुओं पर न्यूट्रॉन की एक निरंतर धारा की बमबारी की जाती है। जब एक जर्मेनियम परमाणु न्यूट्रॉन को पकड़ता है, तो वह अपने ही एक थोड़े भारी संस्करण में बदल जाता है, जो फिर स्वाभाविक रूप से पूरी तरह से एक अलग तत्व में क्षय हो जाता है। इस विशिष्ट प्रक्रिया में, कुछ जर्मेनियम परमाणु गैलियम में बदल जाते हैं, जबकि अन्य आर्सेनिक बन जाते हैं। ये नए परमाणु अशुद्धियों के रूप में कार्य करते हैं जो बिजली को एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से प्रवाहित होने देते हैं। क्योंकि न्यूट्रॉन पूरे ब्लॉक में समान रूप से प्रवेश करते हैं, इसलिए अशुद्धियों का परिणामी मिश्रण पूरे ठोस पदार्थ में पूरी तरह से एक समान होता है, जो पारंपरिक रासायनिक मिश्रण विधियों के साथ प्राप्त करना लगभग असंभव है।

शोधकर्ताओं ने अपनी यात्रा की शुरुआत उच्च-शुद्धता वाले जर्मेनियम वेफर्स लेकर की, जो पहले से ही लगभग सभी अन्य अशुद्धियों से मुक्त थे, और उन्हें छोटे चौकोर टुकड़ों में काट दिया। उन्होंने इन टुकड़ों को सीलबंद एल्युमीनियम कंटेनरों में रखा और उन्हें 'चाइना एडवांस्ड रिसर्च रिएक्टर' में भेज दिया। वहाँ, नमूनों को लगभग तीन दिनों तक थर्मल न्यूट्रॉन के संपर्क में रखा गया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे जानते हैं कि प्रत्येक नमूने ने कितने न्यूट्रॉन प्राप्त किए हैं, टीम ने एक चतुर स्व-निगरानी युक्ति का उपयोग किया। जैसे-जैसे जर्मेनियम के परमाणुओं ने न्यूट्रॉन को पकड़ा, वे क्षण भर के लिए एक रेडियोधर्मी रूप में बदल गए जो एक विशिष्ट प्रकार की एक्स-रे उत्सर्जित करते हैं। इन एक्स-रे की शक्ति को मापने के बाद, टीम ने गणना की कि प्रत्येक टुकड़े ने न्यूट्रॉन की कितनी सटीक खुराक अवशोषित की है, जिससे वे संवेदनशीलता के सटीक रूप से भिन्न स्तरों वाले सेंसर बना सके।

रिएक्टर से वापस आने के बाद, नमूने अभी उपयोग के लिए तैयार नहीं थे। न्यूट्रॉन की बमबारी ने जर्मेनियम की क्रिस्टल संरचना में सूक्ष्म निशान छोड़ दिए थे, जिन्हें विकिरण दोष (रेडिएशन डिफेक्ट्स) कहा जाता है। ये दोष सेंसर के प्रदर्शन को खराब कर सकते थे, इसलिए टीम को उन्हें ठीक करना था। उन्होंने नमूनों को कई घंटों के लिए उच्च तापमान पर एक ओवन में पकाया, एक ऐसी प्रक्रिया जिसने क्षतिग्रस्त परमाणुओं को उनके उचित स्थानों पर वापस जाने की अनुमति दी। यह सत्यापित करने के लिए कि यह उपचार सफल रहा, उन्होंने पॉज़िट्रॉन का उपयोग करने वाली एक विधि का उपयोग किया, जो इलेक्ट्रॉनों के एंटीमैटर समकक्ष हैं। इन पॉज़िट्रॉन को जर्मेनियम में दागने और उनके गायब होने से पहले उनके जीवित रहने की अवधि को मापने के माध्यम से, टीम देख सकती थी कि शेष दोषों का आकार और संख्या कितनी है। परिणामों ने दिखाया कि बेकिंग प्रक्रिया ने लगभग सभी क्षति को सफलतापूर्वक हटा दिया, जिससे एक शुद्ध क्रिस्टल लैटिस पीछे रह गया जो अगले चरण के लिए तैयार था।

सामग्री के ठीक होने के बाद, शोधकर्ताओं को कच्चे जर्मेनियम को एक कामकाजी थर्मामीटर में बदलने की आवश्यकता थी। उन्होंने सतह को तब तक पॉलिश किया जब तक कि वह पूरी तरह से चिकनी नहीं हो गई और फिर बोरॉन आयनों की एक बीम का उपयोग करके ऊपर एक पतली, अत्यधिक प्रवाहकीय परत बनाई। यह परत धातु के तारों को जोड़ने के लिए आवश्यक थी जो बिना किसी प्रतिरोध के विद्युत संकेतों को ले जा सकें। उन्होंने इन स्थानों पर निकल और सोने की परतें जमा कीं ताकि विद्युत संपर्कों का निर्माण हो सके, और फिर उपकरणों को एक आखिरी बार पकाया ताकि कनेक्शन मजबूत और स्थिर रहें। अंतिम उत्पाद एक छोटा, मजबूत सेंसर था जिसमें कई संपर्क बिंदु थे, जो अत्यधिक ठंड में परीक्षण के लिए तैयार था।

यह देखने के लिए कि ये नए सेंसर कितने अच्छी तरह काम करते हैं, टीम ने उन्हें एक विशेष क्रायोस्टेट में रखा, जो एक ऐसी मशीन है जो वस्तुओं को परम शून्य से बीस हजारवें अंश के तापमान तक ठंडा कर सकती है। उन्होंने तापमान गिरने के साथ ही सेंसर के विद्युत प्रतिरोध को मापा। इन अति-ठंडे सेंसरों की दुनिया में, प्रतिरोध एक सरल, सीधी रेखा में नहीं बदलता है; इसके बजाय, यह एक जटिल पैटर्न का पालन करता है जहाँ बिजली एक अशुद्धि परमाणु से दूसरे तक कूदती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके सेंसर ने उनके द्वारा पहुँचे सबसे निचले तापमान तक, बिल्कुल उसी अपेक्षित पैटर्न का पालन किया। डेटा ने पुष्टि की कि सेंसर बिल्कुल वैसे ही व्यवहार कर रहे थे जैसा कि सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी, और उनकी संवेदनशीलता उस सटीक मात्रा से मेल खाती थी जो उन्हें पहले न्यूट्रॉन एक्सपोजर से प्राप्त हुई थी।

अध्ययन ने सफलता और विफलता के बीच एक स्पष्ट सीमा भी प्रकट की। जिन सेंसरों को मध्यम मात्रा में न्यूट्रॉन एक्सपोजर मिला था, वे बहुत अच्छे से काम कर रहे थे, जो प्रतिरोध के सही प्रकार के बदलाव दिखा रहे थे। हालाँकि, उच्चतम खुराक प्राप्त करने वाले दो नमलों ने अलग व्यवहार किया। एक संवेदनशील थर्मामीटर के रूप में कार्य करने के बजाय, वे ऐसी सामग्रियां बन गए जो एक धातु की तरह बिजली का संचालन करती हैं, जिससे वे पता लगाने के लिए आवश्यक विशेष गुण खो देते हैं। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि अशुद्धियों की सांद्रता बहुत अधिक हो गई, जिससे पदार्थ उस महत्वपूर्ण बिंदु से आगे निकल गया जहाँ यह एक परिवर्तनीय प्रतिरोधक (वेरिएबल रेसिस्टर) के रूप में कार्य नहीं कर सकता था। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह भविष्य के प्रयोगों के लिए सुरक्षित सीमाओं को परिभाषित करता है, जिससे वैज्ञानिकों को यह सुनिश्चित करने में मदद मिलती है कि सामग्री को खराब किए बिना एक कार्यशील सेंसर बनाने के लिए कितने न्यूट्रॉन एक्सपोजर की आवश्यकता होती है।

अंततः, यह कार्य भौतिकी के अगले प्रयोगों के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले थर्मामीटर बनाने का एक पूर्ण और सत्यापित नुस्खा प्रदान करता है। टीम ने प्रदर्शित किया कि वे अत्यधिक सटीकता के साथ डोपिंग प्रक्रिया को नियंत्रित कर सकते हैं, विकिरण के बाद सामग्री को ठीक कर सकते हैं, और अत्यधिक ठंड में विश्वसनीय रूप से कार्य करने वाले उपकरणों का निर्माण कर सकते हैं। ये सेंसर अब डार्क मैटर की खोज करने और न्यूट्रिनो के रहस्यमय गुणों का अध्ययन करने के लिए डिज़ाइन किए गए बड़े पैमाने के डिटेक्टरों में एकीकृत होने के लिए तैयार हैं। इस पूरे निर्माण चक्र के सफल होने को सिद्ध करके, शोधकर्ताओं ने भविष्य के प्रयोगों के लिए एक ठोस नींव रखी है जो ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ की सीमाओं को आगे बढ़ाएंगे।