1/f frequency-noise reduction in nanomechanical resonators by dissipation dilution
यह शोध पत्र नैनोमैकेनिकल रेज़ोनेटर में फ्रीक्वेंसी-नॉइज़ फ्लोर के उद्गम को स्ट्रक्चरल डैम्पिंग द्वारा नियंत्रित थर्मल टेंशन फ्लक्चुएशन के रूप में पहचानता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि उच्च तन्य तनाव (हाई टेंसाइल स्ट्रेस) के माध्यम से डिसिपेशन डिल्यूशन प्रभावी रूप से इस शोर को दबा देता है और सेंसर के उपयोगी औसत समय (एवरेजिंग टाइम) को बढ़ाता है।
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एक नन्हे, अदृश्य ड्रमहेड की कल्पना करें, जो एक मानव बाल से भी अधिक चौड़ा नहीं है, और एक सूक्ष्म ढांचे पर कसकर तना हुआ है। यह एक नैनोमैकेनिकल रेज़ोनेटर (nanomechanical resonator) है, एक ऐसा उपकरण जो इतना संवेदनशील है कि यह एक एकल प्रोटीन के वजन या एक अकेले परमाणु की फुसफुसाहट को भी महसूस कर सकता है। वैज्ञानिक इन सूक्ष्म ड्रमों का उपयोग अविश्वसनीय सटीकता के साथ दुनिया को मापने के लिए करते हैं, लेकिन वे एक निराशाजनक सीमा का सामना करते हैं। कमरा चाहे कितना भी शांत क्यों न हो या उपकरण कितना भी उत्तम क्यों न हो, ड्रम का स्वर कभी भी पूरी तरह से स्थिर नहीं रहता। यह एक विशिष्ट, जिद्दी तरीके से डगमगाता है जिसे "फ्लिकर नॉइज़" (flicker noise) के रूप में जाना जाता है—एक ऐसी थरथराहट जो आप जितना लंबे समय तक सुनते हैं, उतनी ही बढ़ती जाती है। दशकों से, यह शोर का स्तर एक अंतिम बाधा बना हुआ है, जो इन सेंसरों को अपनी पूर्ण क्षमता तक पहुँचने से रोकता आया है, और कोई नहीं जानता था कि इसका सटीक कारण क्या है।
वियना के इंस्टीट्यूट ऑफ सेंसर एंड एक्चुएटर सिस्टम्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अंततः इस अपराधी की पहचान कर ली है। उन्होंने खोजा कि यह निरंतर शोर जटिल दोषों या छिपी हुई क्वांटम गड़बड़ियों का रहस्य नहीं है, बल्कि यह केवल स्वयं तनाव (tension) का तापीय शोर (thermal noise) है। जिस तरह एक गिटार का तार अपने परमाणुओं में मौजूद ऊष्मीय ऊर्जा के कारण कंपन करता है, उसी तरह इस सूक्ष्म ड्रमहेड को थामे रखने वाला तनाव भी थरथराता है। चूंकि ड्रमहेड दोनों सिरों पर स्थिर है, इसलिए यह इस थरथराहट को कम करने के लिए खिंच नहीं सकता; इसके बजाय, उतार-चढ़ाव वाला तनाव ड्रम के स्वर को डगमगा देता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह डगमगाहट सामग्री के आंतरिक घर्षण का एक सीधा परिणाम है, जिसे 'लॉस एंगल' (loss angle) कहा जाता है, जो यह निर्धारित करता है कि सामग्री विकृत होने पर कितनी ऊर्जा अवशोषित करती है।
टीम ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए सिलिकॉन नाइट्राइड की डोरियों और झिल्लियों (membranes) का उपयोग किया, जिनकी मोटाई 30 से 340 नैनोमीटर के बीच थी। उन्होंने यह मापा कि उपकरणों के तनाव, आकार और तापमान को बदलने पर शोर कैसे बदलता है। उन्होंने पाया कि शोर का स्तर बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करता है जैसा उनकी थ्योरी ने भविष्यवाणी की थी: यदि आप तनाव बढ़ाते हैं, तो शोर नाटकीय रूप से गिर जाता है, जो एक सटीक गणितीय नियम का पालन करता है जहाँ शोर का स्तर तनाव के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती (inversely proportional) होता है। इसका अर्थ यह है कि केवल तार को कसकर खींचकर, आप शोर को शांत कर सकते हैं। उन्होंने यह भी पाया कि शोर सामग्री के आयतन और उसकी अंतर्निहित गुणवत्ता पर निर्भर करता है, जिससे पुष्टि होती है कि स्रोत स्वयं सामग्री है, न कि जिस तरह से उपकरण को लगाया गया है या उसके आसपास की हवा।
महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने इस विचार को खारिज कर दिया कि शोर केवल सामग्री की सतह से आता है। विभिन्न मोटाई के उपकरणों की तुलना करके, उन्होंने दिखाया कि शोर सामग्री के आयतन के भीतर और उसकी सतहों, दोनों में स्थित दोषों से आता है। मोटी फिल्मों के लिए, आयतन शोर पर हावी होता है, जबकि बहुत पतली फिल्मों के लिए, सतह अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। इस अंतर ने उन्हें उन सूक्ष्म दोषों के सटीक घनत्व को निर्धारित करने में सक्षम बनाया जो इस समस्या का कारण थे। उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि अलग-अलग तापमान पर शोर कैसा व्यवहार करता है। कमरे के तापमान और लगभग 78 केल्विन तक, शोर अनुमानित पैटर्न का पालन करता है, जो सामग्री के उच्च-आवृत्ति वाले कंपनों के साथ निम्न-आवृत्ति वाली थरथराहट को जोड़ता है। हालांकि, 78 केल्विन से नीचे, यह संबंध टूट जाता है; शोर सामग्री के मापे गए 'लॉस' का पालन करना बंद कर देता है, जिससे पता चलता है कि तापमान बहुत कम होने पर सूक्ष्म दोष अलग तरह से व्यवहार करते हैं, शायद एक तापीय सक्रियण प्रक्रिया (thermal activation process) से क्वांटम टनलिंग (quantum tunneling) की ओर स्विच हो जाते हैं।
यह खोज वैज्ञानिकों के सोचने के तरीके को बदल देती है कि बेहतर सेंसर कैसे बनाए जाएं। पहले, ध्यान बाहरी स्रोतों से होने वाले डैम्पिंग (damping) को हटाने के लिए सामग्री को यथासंभव पूर्ण बनाने पर था। नई समझ यह है कि सीमा केवल बाहरी शोर को हटाने के बारे में नहीं है, बल्कि आंतरिक तनाव को प्रबंधित करने के बारे में है। अपने रेज़ोनेटर पर 'प्रीस्ट्रेस' (prestress) बढ़ाकर, इंजीनियर सामग्री के आंतरिक घर्षण के प्रभाव को कम कर सकते हैं, जिससे किसी नई, पूर्ण सामग्री की आवश्यकता के बिना शोर के स्तर को नीचे लाया जा सकता है। यह एक स्पष्ट, कार्रवाई योग्य मार्ग प्रदान करता है: यदि कोई ऐसा सेंसर बनाना चाहता है जो ब्रह्मांड की सबसे मंद फुसफुसाहट को सुन सके, तो उसे बस तार को कसकर खींचना होगा। एक सेंसर द्वारा मापने का सबसे लंबा उपयोगी समय अब उसके तनाव, उसके आयतन, उसके तापमान और सामग्री के अंतर्निहित नुकसान (loss) द्वारा निर्धारित होता है, जो एक ऐसी समस्या का पूर्ण स्पष्टीकरण प्रदान करता है जिसने वर्षों तक इस क्षेत्र को उलझाए रखा था।
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