New dimensions in magnetism and superconductivity via 3D nanoprinting with focused electron and ion beams

द दशकों से, नन्ही मशीनों और क्वांटम सामग्रियों की दुनिया काफी हद तक सपाट रही है। वैज्ञानिकों ने धातु या सिलिकॉन की पतली चादरों में जटिल पैटर्न उकेरने की कला में महारत हासिल कर ली है, जिससे ऐसे सर्किट और सेंसर बनाए गए हैं जो एक द्वि-आयामी (two-dimensional) तल पर रहते हैं। इस दृष्टिकोण ने आधुनिक युग को शक्ति दी है, लेकिन यह एक कठिन सीमा से टकराता है: एक सपाट चादर बहुत कुछ नहीं कर सकती। उन सामग्रियों में नए व्यवहारों को अनलॉक करने के लिए जो बिना प्रतिरोध के बिजली का संचालन करती हैं या चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं, शोधकर्ताओं को एहसास हुआ कि उन्हें तीसरे आयाम (third dimension) में कदम रखने की आवश्यकता है। जिस तरह कागज के एक मुड़े हुए टुकड़े के गुण एक सपाट कागज से अलग होते हैं, उसी तरह वक्र (curves), सर्पिल (spirals) और खोखली नलिकाओं के आकार में ढली सामग्रियां ऐसे अजीब और उपयोगी भौतिक गुणों को प्रदर्शित कर सकती हैं जो उनके सपाट संस्करणों में नहीं होते। चुनौती हमेशा यह रही है कि इन जटिल आकारों को इतने सूक्ष्म स्तर पर कैसे बनाया जाए कि मानव बाल भी उनके सामने एक विशाल केबल जैसा दिखे।

एक नया समीक्षा लेख (review article) उस तकनीक में हालिया सफलताओं को एक साथ लाता है जो अंततः इस त्रि-आयामी निर्माण को संभव बनाती है। शोधकर्ता वर्णन करते हैं कि कैसे वे कंप्यूटर सॉफ्टवेयर द्वारा निर्देशित, केंद्रित इलेक्ट्रॉन या आयन बीमों का उपयोग करके सीधे हवा में, परत दर परत कार्यात्मक सामग्रियों को प्रिंट कर रहे हैं। एक ठोस ब्लॉक से सामग्री को काटकर निकालने के बजाय, यह विधि शून्य से संरचनाओं का निर्माण करती है, जिससे सर्पिल, मुड़ी हुई पट्टियों और चुंबकीय एवं अतिचालक (superconducting) पदार्थों के आपस में जुड़े जाल बनाने के लिए एक-एक परमाणु जमा किए जाते हैं। यह कार्य दर्शाता है कि इन सूक्ष्म संरचनाओं के आकार को अत्यधिक सटीकता के साथ नियंत्रित करके, वैज्ञानिक अब उनके व्यवहार को ट्यून कर सकते हैं, जिससे ऐसे उपकरणों की एक नई पीढ़ी के द्वार खुलते हैं जो अधिक सघन, कुशल और उन कार्यों को करने में सक्षम हैं जो पहले असंभव थे।

इस उपलब्धि का मूल आधार 'फोकस्ड इलेक्ट्रॉन या आयन बीम इंड्यूस्ड डिपोजिशन' नामक एक प्रक्रिया है। कल्पना कीजिए कि एक बहुत ही महीन पेन है जो स्याही का उपयोग नहीं करता, बल्कि एक ऐसी गैस का छिड़काव करता है जिसमें संरचना बनाने के लिए आवश्यक परमाणु होते हैं। जब आवेशित कणों (charged particles) की एक बीम उस गैस से टकराती है, तो वह अणुओं को तोड़ देती है, जिससे वांछित सामग्री सतह पर पीछे रह जाती है। इस बीम को एक सटीक पैटर्न में घुमाकर, शोधकर्ता तीन आयामों में रेखाएं, वक्र और यहाँ तक कि खोखली नलिकाएं भी बना सकते हैं। समीक्षा इस बात पर प्रकाश डालती है कि यह तकनीक कुछ नैनोमीटर जितनी छोटी आकृतियाँ बना सकती है, जो चुंबकीय और अतिचालक सामग्रियों के मौलिक भौतिकी को प्रभावित करने के लिए सही आकार है। इस पैमाने पर, वस्तु का आकार स्वयं सामग्री जितना ही महत्वपूर्ण होता है। एक सीधी तार एक मुड़ी हुई तार की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करती है, और एक खोखली ट्यूब एक ठोस छड़ की तुलना में अलग तरह से कार्य करती है।

लेखक बताते हैं कि इन सामग्रियों को जटिल आकारों में प्रिंट करके, वे सामग्री के आंतरिक गुणों को नए तरीकों से संरेखित करने के लिए मजबूर कर सकते हैं। चुंबकीय सामग्रियों के लिए, जिनका उपयोग हार्ड ड्राइव से लेकर मेडिकल स्कैनर तक सब कुछ में किया जाता है, संरचना को सर्पिल या लूप में मोड़ने से इसके भीतर चुंबकीय क्षेत्र के प्रवाह में परिवर्तन आता है। समीक्षा का विवरण देता है कि कैसे शोधकर्ताओं ने कोबाल्ट और आयरन को डबल हेलिक्स और मुड़ी हुई पट्टियों में सफलतापूर्वक प्रिंट किया है। ये आकार चुंबकीय क्षेत्र में एक प्रकार का कृत्रिम घुमाव पैदा करते हैं, जिससे वैज्ञानिक यह नियंत्रित कर सकते हैं कि चुंबकीय सूचना सामग्री के माध्यम से कैसे चलती है। कुछ मामलों में, संरचना की वक्रता एक ट्रैफिक सिग्नल की तरह कार्य करती है, जो चुंबकीय तरंगों को एक दिशा में जाने के लिए निर्देशित करती है और दूसरी दिशा में नहीं। यह वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ की तुलना में कहीं अधिक सघन मेमोरी स्टोरेज या लॉजिक सर्किट के प्रकारों की ओर ले जा सकता है।

सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक), जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करते हैं, त्रि-आयामी रूप में प्रिंट किए जाने पर आश्चर्यजनक नए व्यवहार भी दिखाते हैं। समीक्षा वर्णन करती है कि कैसे शोधकर्ताओं ने टंगस्टन-कार्बन और नियोबियम-कार्बन से बनी खोखली बेलनाकार आकृतियों और सर्पिलों का निर्माण करने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया है। जब इन आकारों को बहुत कम तापमान तक ठंडा किया जाता है, तो वे सुपरकंडक्टिंग हो जाते हैं। हालाँकि, अपनी घुमावदार ज्यामिति के कारण, उनके भीतर बिजली का प्रवाह दीवार के वक्र का अनुसरण करने के लिए मजबूर होता है। इससे अद्वितीय प्रभाव उत्पन्न होते हैं, जैसे कि सूक्ष्म, घूमते हुए करंट (swirling currents) का निर्माण, जो एक सपाट तार में मौजूद नहीं होते। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये घुमावदार संरचनाएं एक ही वस्तु के विभिन्न हिस्सों में सुपरकंडक्टिविटी की विभिन्न अवस्थाओं को धारण कर सकती हैं, जो इस बात पर निर्भर करता है कि चुंबकीय क्षेत्र आकार के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। एक ही सूक्ष्म उपकरण में विभिन्न अवस्थाओं को मिलाने की यह क्षमता अधिक परिष्कृत क्वांटम सेंसर बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम है।

इस कार्य का सबसे रोमांचक पहलू इन सूक्ष्म संरचनाओं को एक-दूसरे से त्रि-आयामी नेटवर्क में जोड़ना है। पारंपरिक सपाट सर्किटों में, तार केवल एक-दूसरे के ऊपर या नीचे से गुजर सकते हैं, लेकिन तीन आयामों में, वे एक टोकरी की तरह आपस में बुने जा सकते हैं। समीक्षा बताती है कि शोधकर्ताओं ने पहले ही चुंबकीय तारों के परस्पर जुड़े जाल प्रिंट किए हैं जो 'स्पिन आइस' (spin ice) की नकल करते हैं, जो प्रकृति में पाए जाने वाले एक प्रकार के चुंबकीय पदार्थ की संरचना है। ये नेटवर्क चुंबकीय बनावट (textures) के जटिल निर्माण की अनुमति देते हैं जो स्थिर और नियंत्रणीय होते हैं। इसी तरह, सुपरकंडक्टिंग सर्किटों में, तारों को तीन-आयामी जाली (lattice) में जोड़ने से ऐसे नए प्रकार के जंक्शनों का निर्माण होता है जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के उन तरीकों से प्रवाहित हो सकती है जो सपाट सर्किटों में प्राप्त नहीं किए जा सकते। उच्च स्तर की यह कनेक्टिविटी अगली पीढ़ी के कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, जिसका लक्ष्य सूचना को उन तरीकों से संसाधित करना है जो मानव मस्तिष्क की नकल करते हैं।

यह पत्र इस तकनीक के व्यावहारिक पक्ष को भी संबोधित करता है, यह नोट करते हुए कि हालांकि यह तकनीक शक्तिशाली है, फिर भी यह अपने शुरुआती चरणों में है। उत्पादित सामग्रियां हमेशा पूरी तरह से शुद्ध नहीं होती हैं, उनमें अक्सर वांछित धातु और उस गैस का मिश्रण होता है जिसका उपयोग उन्हें बनाने के लिए किया गया है। हालाँकि, शोधकर्ता दिखाते हैं कि इन अशुद्धियों के बावजूद, संरचनाएं चुंबकीय या अतिचालक सामग्रियों के रूप में कार्य करती हैं। वे इन आकारों को तेजी से और पुनरुत्पादक (reproducibly) तरीके से प्रिंट करने की चुनौतियों पर भी चर्चा करते हैं, क्योंकि यह प्रक्रिया वर्तमान में धीमी है और इसके लिए सावधानीपूर्वक अंशांकन (calibration) की आवश्यकता होती है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि अंतिम आकार कंप्यूटर डिजाइन से मेल खाता है। इन बाधाओं के बावजूद, समीक्षा इस बात पर जोर देती है कि तीन आयामों में कार्यात्मक सामग्रियों को सीधे लिखने की क्षमता एक गेम-चेंजर है। यह वैज्ञानिकों को यह परीक्षण करने की अनुमति देता है कि ज्यामिति भौतिकी को कैसे प्रभावित करती है, जो पहले असंभव था, जिससे सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से वास्तविक, मूर्त वस्तुओं की ओर प्रगति होती है।

आगे देखते हुए, लेखक सुझाव देते हैं कि अगला कदम उन सामग्रियों की श्रृंखला का विस्तार करना है जिन्हें प्रिंट किया जा सकता है और जमा (deposits) की शुद्धता में सुधार करना है। वे एक ऐसे भविष्य की कल्पना करते हैं जहाँ इस तकनीक का उपयोग ऐसे हाइब्रिड उपकरणों के निर्माण के लिए किया जाएगा जो एक ही जटिल आकार में चुंबकीय और सुपरकंडक्टिंग गुणों को जोड़ते हैं। यह चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील नए प्रकार के सेंसर या ऐसे उपकरण बना सकता है जो कंप्यूटिंग के लिए क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित कर सकते हैं। समीक्षा इस निष्कर्ष के साथ समाप्त होती है कि त्रि-आयामी नैनोप्रिंटिंग की कला में महारत हासिल करके, वैज्ञानिक केवल मौजूदा उपकरणों के छोटे संस्करण नहीं बना रहे हैं, बल्कि वे पदार्थ के पूरी तरह से नए प्रकार बना रहे हैं जिनके गुण उनके संयोजन के साथ-साथ उनके आकार से भी परिभाषित होते हैं। सपाट से त्रि-आयामी डिजाइन की ओर यह बदलाव सूक्ष्म जगत (nanoscale world) के प्रति हमारे दृष्टिकोण में एक मौलिक परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है, जो एक ऐसा भविष्य का वादा करता है जहाँ किसी उपकरण की ज्यामिति उसके निर्माण की सामग्री जितनी ही महत्वपूर्ण होगी।