Irreducible sub-nm$^2$ ferroelectric domains by 2D-flat polar band in perovskite superlattices

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया जहाँ आपके कंप्यूटर के भीतर के नन्हे स्विच रेत के एक अकेले कण से भी छोटे किए जा सकें, फिर भी वे अपनी स्मृति को पूर्ण स्पष्टता के साथ थामे रख सकें। यह आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का सपना है, जो फेरोइलेक्ट्रिक (ferroelectrics) नामक सामग्रियों द्वारा संचालित है। ये विशेष क्रिस्टल हैं जो सूक्ष्म, स्थायी चुंबकों की तरह कार्य करते हैं, लेकिन चुंबकीय उत्तर और दक्षिण के बजाय, इनमें विद्युत उत्तर और दक्षिण ध्रुव होते हैं। एक मानक फेरोइलेक्ट्रिक मेमोरी चिप में, सूचना इन ध्रुवों को उलटकर संग्रहीत की जाती है। आप जितने छोटे क्षेत्र को उलट सकते हैं, उतने ही अधिक डेटा को उसी स्थान में समाहित किया जा सकता है। हालाँकि, प्रकृति का एक जिद्दी नियम रहा है जिसने इन स्विचों को वास्तव में छोटा होने से रोक रखा है। आमतौर पर, जब आप एक बदले हुए क्षेत्र को सिकोड़ने का प्रयास करते हैं, तो अपने आकार को बनाए रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा बहुत अधिक हो जाती है, जिससे स्विच वापस अपनी स्थिति में आ जाता है या अपने पड़ोसियों के साथ मिल जाता है। इस भौतिक सीमा ने मेमोरी घनत्व को अपेक्षाकृत कम रखा है, जिससे इंजीनियरों को बड़े, कम कुशल घटक बनाने के लिए मजबूर होना पड़ा है।

दक्षिण कोरिया के उल्सान नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस जिद्दी नियम को दरकिनार करने का एक तरीका खोज लिया है। विभिन्न सामग्रियों की परतों को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, उन्होंने एक नई संरचना बनाई है जहाँ विद्युत स्विचों को उस आकार तक सिकोड़ा जा सकता है जिसे पहले असंभव माना जाता था। उनका कार्य, जो हाल ही में प्रकाशित हुआ है, एक ऐसी सामग्री का वर्णन करता है जहाँ विद्युत ध्रुव अलग-थलग, स्वतंत्र बिंदुओं के रूप में मौजूद हो सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक एक वर्ग नैनोमीटर से भी कम स्थान घेरता है। यह खोज उन मेमोरी उपकरणों की ओर एक मार्ग सुझाती है जो वर्तमान में उपलब्ध तकनीक की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक घने हैं, जो कृत्रिम बुद्धिमत्ता (AI) और अगली पीढ़ी के कंप्यूटरों के लिए डेटा संग्रहीत करने के तरीके में क्रांति ला सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने पेरोव्स्काइट्स (perovskites) नामक सामग्रियों के एक परिवार पर ध्यान केंद्रित किया, जिनका उपयोग आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है। विशेष रूप से, उन्होंने बेरियम टाइटेनेट (barium titanate), जो एक प्रसिद्ध फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री है, और दो अन्य समान सामग्रियों—बेरियम जिरकोनेट (barium zirconate) और बेरियम टिन ऑक्साइड (barium tin oxide) के संयोजन का अध्ययन किया। अपने प्राकृतिक, थोक रूप में, ये सामग्रियां इस तरह व्यवहार करती हैं कि सूक्ष्म, अलग-थलग स्विच बनाना कठिन होता है। विद्युत ध्रुव फैलने लगते हैं, और एक छोटे स्थान तक उन्हें सीमित रखने की ऊर्जा लागत बहुत अधिक होती है। इसे हल करने के लिए, टीम ने केवल सामग्रियों को बेतरतीब ढंग से नहीं मिलाया; बल्कि उन्होंने एक विशिष्ट, दोहराव वाला पैटर्न तैयार किया। उन्होंने एक सुपरलैटिस (superlattice) बनाया, जो बेरियम टाइटेनेट और बेरियम जिरकोनेट या बेरियम टिन ऑक्साइड की वैकल्पिक परतों से बना एक सूक्ष्म टॉवर जैसा है। उनकी सफलता की कुंजी इन परतों को एक स्तंभनुमा (columnar) फैशन में व्यवस्थित करना था, जहाँ परमाणु सामग्री के तल के भीतर एक सटीक, शतरंज जैसी व्यवस्था में व्यवस्थित होते हैं।

इस विशिष्ट व्यवस्था ने परमाणुओं के कंपन करने के तरीके में एक आश्चर्यजनक परिवर्तन को प्रेरित किया। भौतिकी में, परमाणु जिस तरह से कंपन करते हैं, वही निर्धारित करता है कि किसी सामग्री की विद्युत अवस्था कितनी स्थिर है। अधिकांश सामग्रियों में, ये कंपन फैल जाते हैं, जिससे एक एकल स्विच को अलग करना कठिन हो जाता है। हालाँकि, शोधकर्ताओं द्वारा इंजीनियर किए गए स्तंभों में, कंपन "सपाट" (flat) हो गए। इस सपाटपन का अर्थ है कि एक विद्युत ध्रुव को उलटने के लिए आवश्यक ऊर्जा इस बात से नहीं बदलती कि वह ध्रुव अकेला है या किसी दूसरे उलटे ध्रुव के बगल में है। यह ऐसा है जैसे सामग्री को इस तरह से ट्यून किया गया है कि प्रत्येक छोटा बिंदु अपने पड़ोसी के खिंचाव को महसूस किए बिना स्वतंत्र रूप से अपनी विद्युत दिशा बदल सके। यह घटना, जिसे 'फ्लैट पोलर बैंड' (flat polar-band) कहा जाता है, सामग्री को अविश्वसनीय रूप से छोटे और स्थिर विद्युत डोमेन का समर्थन करने की अनुमति देती है।

शोधकर्ताओं द्वारा किए गए सिमुलेशन दर्शाते हैं कि ये सूक्ष्म डोमेन क्रिस्टल की बुनियादी इकाई, यानी एक एकल यूनिट सेल के एक चौथाई हिस्से तक सीमित हैं। बेरियम जिरकोनेट संस्करण के लिए यह क्षेत्र लगभग 0.31 वर्ग नैनोमीटर और बेरियम टिन ऑक्साइड संस्करण के लिए 0.33 वर्ग नैनोमीटर है। क्योंकि विद्युत ध्रुव इतने स्थानीयकृत हैं और एक-दूसरे के साथ मजबूती से अंतःक्रिया नहीं करते हैं, इसलिए उन्हें व्यक्तिगत रूप से चालू और बंद किया जा सकता है। टीम ने गणना की कि यदि आप इन स्विचों को जितना संभव हो सके उतना सघन रूप से पैक करेंगे, तो आप एक वर्ग सेंटीमीटर में 300 टेराबिट से अधिक डेटा फिट कर सकते हैं। इसे समझने के लिए, आज का एक मानक हार्ड ड्राइव बहुत बड़े स्थान में कुछ टेराबिट रख सकता है। यह नई सामग्री सैद्धांतिक रूप से उसी फुटप्रिंट में सैकड़ों गुना अधिक जानकारी संग्रहीत कर सकती है।

एक अन्य महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि इन नन्हे स्विचों को बहुत कम वोल्टेज का उपयोग करके बदला जा सकता है। एक एकल द्विध्रुव (dipole) को बदलने के लिए आवश्यक ऊर्जा अवरोध अत्यंत कम है, जो एक बहुत बड़े, मानक ब्लॉक की सामग्री को बदलने के लिए आवश्यक ऊर्जा के बराबर है। इसका अर्थ यह है कि जबकि मेमोरी घनत्व अत्यंत उच्च है, बिजली की खपत कम रहती है, जो पोर्टेबल उपकरणों और ऊर्जा-कुशल कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि सामग्री स्थिर है। उनके द्वारा बनाई गई विशिष्ट विद्युत अवस्था क्षणिक या अस्थिर नहीं है; यह एक 'ग्राउंड स्टेट' (ground state) है, जिसका अर्थ है कि यह सामग्री का सबसे प्राकृतिक, निम्नतम ऊर्जा वाला रूप है। यह स्थिरता बताती है कि इस सामग्री को प्रयोगशाला में विकसित किया जा सकता है और वास्तविक उपकरणों में उपयोग किया जा सकता है बिना इसके बिखरने या किसी अन्य अवस्था में वापस जाने के।

टीम ने इस बात का पता लगाया कि इस सामग्री को वास्तविक दुनिया में कैसे बनाया जा सकता है। उन्होंने पाया कि उनके द्वारा डिज़ाइन की गई स्तंभनुमा संरचना एक प्रतिस्पर्धी ग्राउंड स्टेट है, जिसका अर्थ है कि यह उन्हीं परमाणुओं की अन्य संभावित व्यवस्थाओं जितनी ही स्थिर है। यह इसे एक मुक्त-खड़े क्रिस्टल (free-standing crystal) के रूप में या मैग्नीशियम ऑक्साइड जैसे सबस्ट्रेट पर विकसित एक पतली फिल्म के रूप में उगाने के लिए व्यावहारिक बनाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उनकी सामग्री की जाली संरचना (lattice structure) मैग्नीशियम ऑक्साइड के साथ अच्छी तरह मेल खाती है, जो पतली फिल्मों को उगाने के लिए एक सामान्य आधार है। यह अनुकूलता बताती है कि इस सामग्री को मौजूदा विनिर्माण प्रक्रियाओं में एकीकृत किया जा सकता है। इसके अलावा, उन्होंने दिखाया कि विद्युत गुण तब भी मजबूत रहते हैं जब सामग्री को एक पतली फिल्म के रूप में विकसित किया जाता है, जो यह दर्शाता है कि अद्वितीय फ्लैट-बैंड व्यवहार विनिर्माण प्रक्रिया के दौरान नष्ट नहीं होता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल अधिक डेटा संग्रहीत करने तक ही सीमित नहीं हैं। दो-आयामी तल में स्वतंत्र, स्विच करने योग्य द्विध्रुवों को बनाने की क्षमता, मेमोरी उपकरणों के एक नए वर्ग के द्वार खोलती है। चूंकि प्रत्येक स्विच अलग-थलग है, इसलिए इसे व्यक्तिगत रूप से संबोधित किया जा सकता है, जिससे जटिल, बहु-स्तरीय भंडारण की अनुमति मिलती है जहाँ एक एकल स्थान केवल एक साधारण "ऑन" या "ऑफ" अवस्था के बजाय अधिक धारण कर सकता है। शोधकर्ताओं ने यह भी रेखांकित किया कि सामग्री की स्थिरता और कम स्विचिंग वोल्टेज इसे न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाता है, जो एक ऐसा क्षेत्र है जिसका लक्ष्य मानव मस्तिष्क की दक्षता की नकल करने वाले कंप्यूटर बनाना है। इन प्रणालियों में, कम ऊर्जा के साथ अत्यंत छोटे, स्वतंत्र इकाइयों को स्विच करने की क्षमता कृत्रिम न्यूरॉन्स और सिनैप्स बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।

हालाँकि परिणाम वर्तमान में कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं, लेकिन इनके पीछे के भौतिक सिद्धांत सुदृढ़ हैं और यह सामग्री प्रणाली जिसे संश्लेषित किया जा सकता है, वह वास्तविक है। शोधकर्ताओं ने सैद्धांतिक डिजाइन से प्रायोगिक वास्तविकता तक का एक स्पष्ट मार्ग पहचान लिया है। बेरियम टाइटेनेट और बेरियम जिरकोनेट या टिन ऑक्साइड के स्तंभनुमा क्रम का उपयोग करके, उन्होंने फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के ऊर्जा परिदृश्य को सपाट करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। यह सपाटपन उस बाधा को हटा देता है जिसने ऐतिहासिक रूप से उप-नैनोमीटर डोमेन के निर्माण को रोका था। यह खोज केवल एक क्रमिक सुधार नहीं है; यह परमाणु स्तर पर विद्युत ध्रुवीकरण को नियंत्रित करने का एक मौलिक नया तंत्र प्रदान करती है। यदि प्रयोगशाला में इन सिमुलेशन की पुष्टि हो जाती है, तो इसका परिणाम मेमोरी तकनीक में एक नाटकीय छलांग होगी, जो ऐसे उपकरणों को सक्षम बनाएगी जो न केवल अधिक घने होंगे, बल्कि अधिक ऊर्जा-कुशल भी होंगे और भविष्य के विशाल डेटा भार को संभालने में सक्षम होंगे।