High Speed Contact-Resonance Tracking using Brownian motion

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ किसी पदार्थ की सतह के सूक्ष्म विवरण केवल देखे ही नहीं, बल्कि महसूस भी किए जा सकते हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस काम को करने के लिए 'एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोप' नामक उपकरण का उपयोग किया है। यह एक अत्यंत सूक्ष्म, सुई जैसी नोक (टिप) को सतह पर खींचकर काम करता है, ठीक वैसे ही जैसे एक दृष्टिहीन व्यक्ति ब्रेल पढ़ता है, लेकिन इसकी संवेदनशीलता इतनी बारीक है कि यह एक अकेले अणु की कठोरता का भी पता लगा सकती है। इस उपकरण को और अधिक शक्तिशाली बनाने के लिए, शोधकर्ता अक्सर टिप को एक विशिष्ट लय में थपथपाते हैं, एक ऐसी आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) पर जहाँ टिप सबसे आसानी से कंपन करती है। इसे अनुनाद (रेजोनेंस) कहा जाता है। टिप के कंपन को सुनकर, वे मानचित्रित कर सकते हैं कि नमूने के विभिन्न हिस्से कितने कठोर या नरम हैं, या वे बिजली के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देते हैं। हालाँकि, इसमें एक समस्या है। टिप को कंपन कराने के सामान्य तरीके में माइक्रोस्कोप के पूरे आधार को हिलाना शामिल होता है। यह बहुत सारा बैकग्राउंड शोर पैदा करता है, जैसे किसी भीड़ भरे कमरे में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करना, जो उन विवरणों को छिपा सकता है जिन्हें वैज्ञानिक खोजने की कोशिश कर रहे हैं।

एसाइलम रिसर्च (ऑक्सफोर्ड इंस्ट्रूमेंट्स का हिस्सा) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन सूक्ष्म कंपनों को सुनने का एक नया तरीका विकसित किया है जो शोर को कम करता है। वे अपने इस तरीके को iDART कहते हैं। पूरे मशीन को हिलाने के बजाय, वे हवा में गर्मी के कारण टिप में होने वाली प्राकृतिक, यादृच्छिक हलचल—जिसे ब्राउनियन मोशन (Brownian motion) कहा जाता है—का उपयोग करके सही लय और ट्रैकिंग फ्रीक्वेंसी को पहचानने के लिए करते हैं। एक बार जब लय मिल जाती है, तो वे तीव्र इमेजिंग के लिए आवश्यक सिग्नल स्ट्रेंथ प्रदान करने हेतु एक नियंत्रित सक्रिय ड्राइव (active drive) का उपयोग करते हैं। यह दृष्टिकोण उन्हें पारंपरिक तरीकों के भारी हस्तक्षेप के बिना, किसी सामग्री के यांत्रिक गुणों का विस्तृत मानचित्र बनाने की अनुमति देता है। इसका परिणाम सूक्ष्म जगत का एक स्पष्ट और अधिक सटीक दृश्य है, जो उन विशेषताओं को उजागर करता है जो पहले माप के शोर के कारण ओझल हो जाती थीं।

शोधकर्ताओं ने इस नई पद्धति का परीक्षण PZT नामक सामग्री के नमूने पर किया, जो बिजली लागू करने पर आकार बदलने के लिए जानी जाती है। उन्होंने नमूने पर अलग-अलग स्तर का विद्युत वोल्टेज लगाया, जिसमें एक मजबूत सिग्नल से लेकर शून्य सिग्नल तक शामिल था। जब उन्होंने उच्च वोल्टेज का उपयोग किया, तो छवियों में स्पष्ट पैटर्न दिखाई दिए, जहाँ चमकीले और गहरे क्षेत्र विद्युत ध्रुवीकरण (electrical polarization) की विभिन्न दिशाओं का प्रतिनिधित्व करते थे। जैसे-जैसे उन्होंने वोल्टेज कम किया, इन पैटर्न की चमक फीकी पड़ती गई, और छवियां दानेदार होती गईं, और वोल्टेज पूरी तरह से हटा दिए जाने पर वे रैंडम स्टैटिक (static) की तरह दिखने लगीं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसा अपेक्षित था: बिना किसी विद्युत धक्का के, टिप समन्वित तरीके से हिलना बंद कर देती है, और सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात गिरने के साथ फेज कंट्रास्ट खो जाता है। हालाँकि, सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि सामग्री की कठोरता का मानचित्र, जो कंपन की आवृत्ति द्वारा निर्धारित होता है, पूरी प्रक्रिया के दौरान स्थानिक रूप से पुनरुत्पादनीय (spatially reproducible) बना रहा। यहाँ तक कि जब विद्युत धक्का खत्म हो गया और टिप केवल यादृच्छिक गर्मी के कारण हिल रही थी, तब भी वैज्ञानिक सटीक कठोरता पैटर्न को पुनः प्राप्त करने में सक्षम थे। इसने सिद्ध कर दिया कि कठोरता की जानकारी विद्युत ड्राइव का कोई कृत्रिम प्रभाव (artifact) नहीं थी, बल्कि एक वास्तविक गुण था जिसे टिप की प्राकृतिक, थर्मल गति से सीधे पढ़ा जा सकता था।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह परिणाम केवल विद्युत संकेतों तक सीमित नहीं है, टीम ने बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करके प्रयोग को दोहराया। उन्होंने टिप के आधार को गर्म करने के लिए लेजर का उपयोग किया, जिससे वह कंपन करने लगी, और फिर धीरे-धीरे उस लेजर की शक्ति को कम किया। बिजली वाले परीक्षण की तरह ही, लेजर पावर कम होने के साथ नमूने की संरचना की स्पष्ट और तीक्ष्ण छवियां धुंधली होती गईं, जब तक कि शून्य पावर पर केवल रैंडम शोर ही शेष नहीं रह गया। फिर भी, एक बार फिर, संपर्क अनुनाद आवृत्ति (contact resonance frequency) का मानचित्र स्थिर रहा। नमूने की गोलाकार विशेषताएं, जो सख्त प्लास्टिक में जड़े कार्बन फाइबर से बनी थीं, लेजर पूरी तरह से बंद होने के बाद भी स्पष्ट और मापने योग्य बनी रहीं। इसने पुष्टि की कि यह तकनीक बिना किसी बाहरी बल के टिप को चलाने के, स्वाभाविक ऊर्जा पर निर्भर रहते हुए भी सार्थक यांत्रिक डेटा निकालने में सक्षम है।

इस नए तरीके की शक्ति को एक कैंटिलीवर (cantilever) के त्रिकोणीय टुकड़े को स्कैन करके और भी बेहतर ढंग से प्रदर्शित किया गया, जो इन सूक्ष्मदर्शी यंत्रों में उपयोग की जाने वाली एक छोटी बीम है। जैसे-जैसे टिप बीम के ऊपर से गुजरी, कठोरता नाटकीय रूप से बदल गई क्योंकि बीम चौड़ी और मोटी होती गई। कुछ दस माइक्रोमीटरों में, कंपन की आवृत्ति लगभग 75 किलोहर्ट्ज़ से बढ़कर 325 किलोहर्ट्ज़ हो गई, जो चार गुना से अधिक की वृद्धि है। पारंपरिक तरीके अक्सर सिग्नल खोए बिना आवृत्तियों की इतनी विस्तृत श्रृंखला को ट्रैक करने में संघर्ष करते हैं, लेकिन इस नए सिस्टम ने परिवर्तन का सहजता से और निरंतर पीछा किया। परिणामी मानचित्र ने बीम के भौतिक आकार से मेल खाने वाला कठोरता का एक सुचारू ग्रेडिएंट दिखाया, जिससे सिद्ध हुआ कि यह प्रणाली यांत्रिक गुणों के बड़े बदलावों को बिना भ्रमित हुए संभाल सकती है।

एक अत्यधिक संवेदनशील डिटेक्टर को, जो टिप की वास्तविक गति को मापता है, एक चतुर ट्रैकिंग सिस्टम के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि अभूतपूर्व स्पष्टता के साथ यांत्रिक दुनिया को देखना संभव है। मुख्य बात यह थी कि यह पहचानना कि सही कंपन आवृत्ति की पहचान करने के लिए टिप की प्राकृतिक, यादृच्छिक हलचल में आवश्यक सारी जानकारी मौजूद है। एक बार जब यह आवृत्ति मिल जाती है, तो उच्च गुणवत्ता वाली छवि बनाने के लिए एक नियंत्रित ड्राइव का उपयोग किया जाता है। इसका अर्थ है कि अब वैज्ञानिक मजबूत विद्युत या यांत्रिक बलों से सामग्री को बदलने के जोखिम के बिना, नाजुक सामग्रियों का अध्ययन कर सकते हैं। यह पद्धति इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों के सूक्ष्म डोमेन से लेकर जैविक नमूनों की जटिल संरचनाओं तक, सतहों की वास्तविक, अप्रभावित प्रकृति को देखने का द्वार खोलती है, और वह भी माप प्रक्रिया को प्राकृतिक दुनिया की तरह ही सौम्य रखते हुए।