Rapid and high-sensitive NV-based microwave field imaging via digital lock-in amplification for on-chip microstrip diagnostics

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की अदृश्य दुनिया में, रेडियो तरंगें और माइक्रोवेव उस डेटा को ले जाते हैं जो हमारे फोन, इंटरनेट और हमारी कारों के सेंसर को शक्ति प्रदान करते हैं। ये संकेत सिलिकॉन चिप्स पर उकेरे गए सूक्ष्म सर्किटों के माध्यम से अविश्वसनीय गति से यात्रा करते हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे ये उपकरण छोटे और अधिक जटिल होते जा रहे हैं, इंजीनियरों के सामने एक कठिन समस्या आती है: आप किसी सर्किट के अंदर क्या हो रहा है, यह बिना उसे छुए या उसके काम करने की प्रक्रिया को रोके कैसे देख सकते हैं? पारंपरिक उपकरण अक्सर बारीक विवरण देखने के लिए पर्याप्त करीब पहुँचने में संघर्ष करते हैं, या वे उन नाजुक संकेतों के साथ हस्तक्षेप करते हैं जिन्हें वे मापने की कोशिश कर रहे होते हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक अद्वितीय सामग्री की ओर रुख किया है: हीरा। हीरे के भीतर नाइट्रोजन-वैकेंसी (nitrogen-vacancy) केंद्र नामक सूक्ष्म खामियां होती हैं। ये वे स्थान हैं जहाँ एक कार्बन परमाणु गायब होता है और उसकी जगह एक नाइट्रोजन परमाणु आ जाता है, जिससे एक ऐसा दोष पैदा होता है जो एक सूक्ष्म सेंसर की तरह कार्य करता है। जब इन पर हरे रंग की लेजर डाली जाती है, तो ये दोष लाल रोशनी के साथ चमकते हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि इस चमक की तीव्रता उनके आसपास के चुंबकीय क्षेत्रों की शक्ति के आधार पर बदल जाती है। यह वैज्ञानिकों को डायमंड (हीरे) को एक ऐसे कैमरे के रूप में उपयोग करने की अनुमति देता है जो अत्यधिक सटीकता के साथ चुंबकीय क्षेत्रों को "देख" सकता है, जबकि हीरा सुरक्षित रूप से इलेक्ट्रॉनिक उपकरण के ऊपर स्थित होता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस डायमंड सेंसिंग तकनीक को एक चतुर सिग्नल-प्रोसेसिंग तकनीक के साथ जोड़ा है ताकि इन अदृश्य क्षेत्रों की इमेजिंग करने का एक नया तरीका बनाया जा सके। उनका लक्ष्य उस प्रमुख बाधा को दूर करना था जिसने पिछले प्रयासों को धीमा कर दिया था: शोर (noise)। एक विशिष्ट प्रयोग में, चुंबकीय क्षेत्रों के कारण प्रकाश में होने वाले सूक्ष्म परिवर्तन अक्सर लेजर की टिमटिमाहट या कैमरे के इलेक्ट्रॉनिक शोर द्वारा दबा दिए जाते हैं। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक प्रणाली विकसित की जो 'डिजिटल लॉक-इन एम्प्लीफिकेशन' नामक विधि का उपयोग करती है। कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले, शोर वाले कमरे में एक विशिष्ट बातचीत को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप जानते हैं कि जिस व्यक्ति को आप सुन रहे हैं वह ठीक कब बोलेगा, तो आप अपने कान को उस विशिष्ट लय के लिए ट्यून कर सकते हैं और बाकी के शोर को अनदेखा कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने प्रकाश के साथ भी ऐसा ही किया। उन्होंने उस माइक्रोवेव सिग्नल को लिया जिसे वे मापना चाहते थे और उसकी आवृत्ति (frequency) में एक सौम्य, लयबद्ध कंपन (wobble) जोड़ा। जब इस कंपन वाले सिग्नल ने डायमंड सेंसर के साथ परस्पर क्रिया की, तो इसने लाल चमक को उस लय के साथ पूरी तरह तालमेल बिठाकर स्पंदित (pulse) किया। एक कस्टम कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करके केवल उस प्रकाश को खोजने के माध्यम से जो उस सटीक गति पर स्पंदित हुआ था, वे सभी यादृच्छिक बैकग्राउंड शोर को फ़िल्टर कर सके। इसने उन्हें हजारों तस्वीरें लेने और उन्हें औसत निकालने के बजाय, एक एकल स्नैपशॉट से एक स्पष्ट सिग्नल निकालने की अनुमति दी।

इसका परिणाम एक ऐसी प्रणाली है जो पहले की तुलना में नाटकीय रूप से तेज़ और अधिक संवेदनशील है। शोधकर्ताओं ने एक माइक्रोस्कोप सेटअप बनाया जहाँ हीरे की एक पतली परत एक माइक्रोस्ट्रिप सर्किट (जो इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य प्रकार का छोटा एंटीना है) के ठीक ऊपर स्थित है। उन्होंने सेंसर को उत्तेजित करने के लिए हीरे के माध्यम से एक हरी लेजर छोड़ी, और एक हाई-स्पीड कैमरे ने परिणामी लाल रोशनी को कैप्चर किया। क्योंकि उनका डिजिटल लॉक-इन सिस्टम सिग्नल को इतनी प्रभावी ढंग से अलग कर सका, उन्होंने 126 नैनोटेला प्रति वर्ग रूट हर्ट्ज़ की चुंबकीय क्षेत्र संवेदनशीलता प्राप्त की। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इस गति ने उन्हें कुछ ही सेकंडों में चुंबकीय क्षेत्र की एक पूर्ण छवि कैप्चर करने की अनुमति दी। समान डायमंड सेंसरों का उपयोग करने वाले पिछले तरीकों को एक स्पष्ट तस्वीर बनाने के लिए मिनटों या घंटों तक इंतजार करना पड़ता था क्योंकि उन्हें शोर के औसत होने की प्रतीक्षा करनी पड़ती थी। इस नए दृष्टिकोण के साथ, टीम वास्तविक समय (real-time) में चुंबकीय क्षेत्रों को देख सकती थी। उन्होंने एक वर्किंग माइक्रोस्ट्रिप लाइन के ऊपर चुंबकीय क्षेत्रों की इमेजिंग करके इसे प्रदर्शित किया, जिससे यह दिखाया गया कि कैसे चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति माइक्रोवेव सिग्नल की शक्ति बढ़ाने के साथ बदलती है। उन्होंने एक अन्य विधि का भी परीक्षण किया जहाँ उन्होंने एक हॉर्न एंटीना का उपयोग करके माइक्रोवेव सिग्नल को दूरी से सर्किट पर प्रसारित किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह प्रणाली सीधे विद्युत कनेक्शन के बिना भी काम करती है।

यह सिद्ध करने के लिए कि उनकी छवियां सटीक थीं, टीम ने अपने प्रयोगात्मक फोटो की तुलना उन्हीं सर्किटों के कंप्यूटर सिमुलेशन से की। पैटर्न बारीकी से मेल खाते थे, जिससे पुष्टि हुई कि डायमंड सेंसर चुंबकीय परिदृश्य का सही ढंग से मानचित्रण कर रहे थे। उन्होंने सिस्टम को विभिन्न आवृत्तियों, विशेष रूप से 2.73 गीगाहर्ट्ज़ और 3.0 गीगाहर्ट्ज़ पर काम करने के लिए भी प्रेरित किया, जिसके लिए उन्होंने डायमंड की संवेदनशीलता को ट्यून करने हेतु एक छोटा चुंबकीय क्षेत्र लगाया। छवियों ने स्पष्ट रूप से दिखाया कि सिस्टम इन विभिन्न आवृत्तियों पर क्षेत्रों का पता लगा सकता है, हालांकि एक आवृत्ति पर सिग्नल दूसरी की तुलना में अधिक मजबूत था। अंत में, उन्होंने एक वास्तविक रेडियो-फ्रीक्वेंसी स्विच में दोषों को खोजकर इस उपकरण के व्यावहारिक मूल्य का परीक्षण किया। उन्होंने सर्किट के एक हिस्से को जानबूझकर खरोंच दिया ताकि लाइन में एक व्यवधान पैदा हो सके, जिससे उस स्थान से चुंबकीय क्षेत्र का प्रवाह रुक जाए। जब उन्होंने डिवाइस की इमेजिंग की, तो टूटा हुआ क्षेत्र एक काले शून्य (dark void) के रूप में दिखाई दिया जहाँ चुंबकीय सिग्नल गायब हो गया था, जबकि स्वस्थ हिस्से चमक रहे थे। इसने दिखाया कि यह तकनीक इलेक्ट्रॉनिक घटकों को नुकसान पहुँचाए बिना तुरंत दोषों का पता लगा सकती है। शोधकर्ताओं ने 1.6 माइक्रोमीटर का स्थानिक रिज़ॉल्यूशन (spatial resolution) प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि वे मानव बाल की चौड़ाई से भी छोटे विवरण देख सकते थे, और वह भी पूरे चिप को कुछ ही सेकंड में स्कैन करते हुए। यह कार्य इंजीनियरों के लिए एक शक्तिशाली नए उपकरण की स्थापना करता है, जो उच्च-गति वाले इलेक्ट्रॉनिक्स की अदृश्य दुनिया को उस स्पष्टता और गति के साथ देखने का एक तरीका प्रदान करता है जो पहले पहुंच से बाहर थी।