Observing Colossal and Tunable Near-field Thermal Radiation with A Highly Sensitive Annular Micro-thermocouple Junction

ऊष्मा आमतौर पर दो परिचित तरीकों से यात्रा करती है: यह सीधे संपर्क द्वारा ठोस वस्तुओं के माध्यम से चलती है, या यह अदृश्य प्रकाश के रूप में बाहर की ओर विकीर्ण होती है जो हमारे चारों ओर के खाली स्थान में फैल जाता है। सदियों से, वैज्ञानिक मानते थे कि इस विकीर्ण ऊष्मा की एक सख्त गति सीमा होती है, यानी एक गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु तक ऊष्मा के प्रवाह की एक अधिकतम दर, चाहे वे एक-दूसरे के कितने भी करीब क्यों न हों। यह सीमा, जिसे 'ब्लैकबॉडी लिमिट' (blackbody limit) कहा जाता है, थर्मल ऊर्जा के लिए एक सार्वभौमिक गति-बाधा (speed bump) की तरह कार्य करती है। हालाँकि, जब दो वस्तुओं को अविश्वसनीय रूप से करीब लाया जाता है—इतना करीब कि उनके बीच का अंतर एक एकल डीएनए स्ट्रैंड की चौड़ाई से भी कम हो—तो यह नियम बदल जाता है। इन सूक्ष्म, नैनोस्केल अंतरालों में, ऊष्मा वैक्यूम (निर्वात) के पार सामान्य भौतिकी की तुलना में कहीं अधिक तेज़ी से कूद सकती है, जो सामान्य बाधाओं को चुनौती देते हुए खाली स्थान में प्रवाहित होती है। इस घटना को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह ऊर्जा के प्रबंधन, छोटे कंप्यूटर चिप्स को ठंडा करने, या यहाँ तक कि बिजली प्राप्त करने के नए तरीके डिजाइन करने के तरीके में क्रांति ला सकता है।

लंबे समय तक, यह सिद्ध करना कि वास्तव में ऊष्मा का यह विशाल उछाल होता है, प्रयोगकर्ताओं के लिए एक दुःस्वप्न जैसा था। चुनौती केवल दो वस्तुओं को पर्याप्त करीब लाने की नहीं थी, बल्कि उनके बीच स्थानांतरित होने वाली ऊष्मा की सूक्ष्म मात्रा को मापने की भी थी। पिछले प्रयासों में अक्सर सपाट प्लेटों का उपयोग किया गया था, लेकिन सामग्रियों की सूक्ष्म खामियों के कारण उन्हें सूक्ष्म दूरियों पर पूरी तरह से समानांतर रखना लगभग असंभव है। अन्य विधियों में नुकीले सिरों (tips) का उपयोग किया गया, लेकिन संकेत इतने कमजोर थे कि उन्हें सटीक रूप से मापा नहीं जा सका। अब, एरिज़ोना स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का सेंसर बनाया है जो अंततः उन्हें इस विशाल ऊष्मा हस्तांतरण को प्रत्यक्ष रूप से देखने की अनुमति देता है। उन्होंने एक पतले कांच के रेशे (fiber) का उपयोग करके एक अत्यधिक संवेदनशील उपकरण बनाया, जो लगभग एक मानव बाल की चौड़ाई का है, जिसके अंत में एक छोटा सिलिका गोला लगा हुआ है। इस रेशे के बिल्कुल सिरे पर, उन्होंने दो अलग-अलग धातुओं से बना एक सूक्ष्म जंक्शन तैयार किया। यह जंक्शन एक थर्मामीटर की तरह कार्य करता है जो तापमान परिवर्तन के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है, और उन बदलावों का पता लगाने में सक्षम है जो इतने छोटे हैं कि मानक उपकरणों द्वारा अदृश्य रहेंगे।

शोधकर्ताओं ने इस नए सेंसर का उपयोग अपने छोटे सिलिका गोले और कुछ नैनोमीटर की दूरी पर रखे विभिन्न सपाट सतहों के बीच बहने वाली ऊष्मा को मापने के लिए किया। उन्होंने एक क्वार्ट्ज सतह और एक हैवी डोप्ड सिलिकॉन सतह के साथ इस सेटअप का परीक्षण किया, उन्हें दस नैनोमीटर तक करीब लाया। परिणाम चौंकाने वाले थे। जब अंतराल इतना छोटा था, तो ऊष्मा हस्तांतरण की दर सामान्य स्थितियों के सैद्धांतिक अधिकतम से सैकड़ों गुना अधिक हो गई। क्वार्ट्ज सतह के साथ, ऊष्मा प्रवाह सामान्य सीमा की तुलना में 2,600 गुना बढ़ गया। सिलिकॉन सतह के साथ, यह 900 गुना बढ़ गया। ये संख्याएँ एक "विशाल" (colossal) वृद्धि का प्रतिनिधित्व करती हैं, जो पुष्टि करती हैं कि ऊर्जा वास्तव में इवेनेसेंट वेव्स (evanescent waves) के माध्यम से वैक्यूम गैप के पार टनल कर रही है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो केवल इन चरम निकटताओं में ही काम करती है। डेटा फ्लक्चुएटिंग इलेक्ट्रोडायनामिक्स (fluctuating electrodynamics) के नियमों पर आधारित जटिल कंप्यूटर मॉडलों के साथ पूरी तरह मेल खाता था, जिससे टीम को उच्च विश्वास मिला कि उनके माप सटीक थे और केवल प्रयोगात्मक शोर (noise) नहीं थे।

केवल इस विशाल ऊष्मा उछाल को देखने के अलावा, टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि वे इसे नियंत्रित कर सकते हैं। उन्होंने 'वनेडियम डाइऑक्साइड' नामक एक विशेष सामग्री का उपयोग किया, जो गर्म होने पर अपने गुणों को बदल देती है। कम तापमान पर, यह सामग्री एक इंसुलेटर (कुचालक) के रूप में कार्य करती है, लेकिन गर्म होने पर, यह एक धात्विक अवस्था (metallic state) में बदल जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस सामग्री के तापमान को बदलकर, वे ऊष्मा प्रवाह को चालू या बंद कर सकते हैं, या कम से कम इसे काफी हद तक घटा या बढ़ा सकते हैं। जब सामग्री अपनी इंसुलेटिंग अवस्था में थी, तो ऊष्मा हस्तांतरण मजबूत था, जो 15-नैनोमीटर के अंतराल पर सामान्य सीमा से 430 गुना अधिक था। जब उन्होंने सामग्री को उसकी मेटैलिक अवस्था में बदलने के लिए गर्म किया, तो ऊष्मा प्रवाह 64 प्रतिशत गिर गया। ऊष्मा हस्तांतरण को इतनी नाटकीय रूप से ट्यून करने की यह क्षमता बताती है कि वैज्ञानिक भविष्य में थर्मल स्विच या ट्रांजिस्टर बना सकते हैं जो ऊष्मा प्रवाह को ठीक उसी तरह नियंत्रित करते हैं जैसे इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर बिजली को नियंत्रित करते हैं।

इस प्रयोग की सफलता काफी हद तक उनके सेंसर के अद्वितीय डिज़ाइन पर निर्भर थी। पिछले प्रयासों के विपरीत जो कमजोर संकेतों के कारण संघर्ष कर रहे थे, इस नए उपकरण में बहुत उच्च थर्मल रेजिस्टेंस (तापीय प्रतिरोध) था, जिसका अर्थ है कि इसने ऊष्मा को आसानी से बाहर नहीं जाने दिया, जिससे उनके द्वारा मापे जाने वाले तापमान परिवर्तनों को बढ़ाया जा सका। उन्होंने अपने सेंसर को सावधानीपूर्वक कैलिब्रेट भी किया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि उनके द्वारा पढ़ा गया वोल्टेज तापमान के अंतर के बिल्कुल अनुरूप है, जिससे अनुमान लगाने की आवश्यकता समाप्त हो गई। इस सटीक सेंसर को नैनोमीटर सटीकता के साथ अंतराल की दूरी बनाए रखने की विधि के साथ जोड़कर, वे सिद्धांत और वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटने में सफल रहे। ये निष्कर्ष ऊर्जा के नैनोस्केल पर व्यवहार को समझने के लिए एक स्पष्ट, प्रत्यक्ष अवलोकन प्रदान करते हैं, जो इस क्षेत्र को सैद्धांतिक भविष्यवाणियों और सिमुलेशन से निकालकर मापे गए तथ्यों के क्षेत्र में ले जाते हैं। यह कार्य ऊर्जा के व्यवहार को समझने के लिए नए द्वार खोलता है जब उसे सबसे छोटे संभव स्थानों में सीमित किया जाता है, जिससे भविष्य की उन तकनीकों का मार्ग प्रशस्त होता है जो ऊष्मा का हेरफेर उसी सटीकता के साथ करती हैं जिस सटीकता के साथ हम वर्तमान में प्रकाश और बिजली का हेरफेर करते हैं।