Improved aluminum film transport properties and enhanced TES response in athermal phonon detectors: implications for quasiparticle dynamics

ब्रह्मांड के शांत, ठंडे कोनों में, अदृश्य कण लगातार हर चीज़ से होकर गुजर रहे हैं, जिसमें हम भी शामिल हैं। इनमें से कुछ डार्क मैटर (dark matter) हैं, वह रहस्यमय पदार्थ जो आकाशगंगाओं को एक साथ थामे रखता है लेकिन प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने से इनकार करता है। अन्य न्यूट्रिनो (neutrinos) हैं, वे भूतिया कण जो सूर्य और दूर के तारों से बहकर आते हैं। इन क्षणिक आगंतुकों को पकड़ने के लिए, वैज्ञानिक ऐसे डिटेक्टर बनाते हैं जो अत्यंत संवेदनशील कानों की तरह काम करते हैं, जो उस ऊर्जा की सबसे हल्की फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश करते हैं जो एक कण किसी परमाणु से टकराने पर पीछे छोड़ सकता है। इन उपकरणों को आमतौर पर परम शून्य (absolute zero) से केवल एक अंश ऊपर के तापमान पर रखा जाता है, जहाँ गुजरते हुए कण की एक मामूली सी हलचल भी गर्मी की एक लहर, या फोनोन (phonon), पैदा कर सकती है जिसे मापा जा सके। चुनौती हमेशा इन कानों को इतनी संवेदनशील बनाने की रही है कि वे बिना एक भी लय छोड़े सबसे हल्की फुसफुसाहट को सुन सकें।

टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी (Texas A&M University) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन कानों को बदलने का एक तरीका खोजा है जिससे वे काफी अधिक संवेदनशील हो गए हैं, और वह है उस सामग्री को बदलना जो प्रारंभिक लहर को पकड़ती है। अपने नवीनतम कार्य में, उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के डिटेक्टर पर ध्यान केंद्रित किया जो एक कण के टकराव से ऊर्जा एकत्र करने और उसे एक सेंसर तक पहुँचाने के लिए सुपरकंडक्टिंग एल्युमीनियम (superconducting aluminum) की एक पतली फिल्म का उपयोग करता है। इस एल्युमीनियम फिल्म को जमा करने के तरीके को बदलकर, उन्होंने एक ऐसा संस्करण बनाया जो ऊर्जा को बहुत अधिक कुशलता से स्थानांतरित करता है, जिसके परिणामस्वरूप मापा गया सिग्नल रिस्पॉन्स (signal response) पहले की तुलना में दोगुने से अधिक बड़ा है। यह सुधार न केवल वर्तमान डिटेक्टरों को बेहतर बनाता है, बल्कि बहुत बड़े सेंसर बनाने का मार्ग भी खोलता है जो अंततः डार्क मैटर और न्यूट्रिनो की अंतःक्रियाओं के रहस्यों को उजागर कर सकते हैं।

इस अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले डिटेक्टर एक सैंडविच की तरह बने होते हैं। नीचे सिलिकॉन का एक ब्लॉक होता है, जो अवशोषक (absorber) के रूप में कार्य करता है। जब एक कण इस सिलिकॉन से टकराता है, तो यह ध्वनि जैसी कंपन की एक लहर पैदा करता है जिसे फोनोन कहा जाता है। ये फोनोन सिलिकॉन के माध्यम से यात्रा करते हैं जब तक कि वे ऊपर स्थित सुपरकंडक्टिंग एल्युमीनियम फिन्स (fins) की एक परत से नहीं टकरा जाते। एल्युमीनियम विशेष है क्योंकि, इन अविश्वसनीय रूप से कम तापमानों पर, यह बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करता है। जब एक फोनोन एल्युमीनियम से टकराता है, तो यह इलेक्ट्रॉनों के उन जोड़ों को तोड़ देता है जो सामान्य रूप से आपस में जुड़े होते हैं, जिससे क्वासिपार्टिकल्स (quasiparticles) नामक स्वतंत्र, ऊर्जावान कण उत्पन्न होते हैं। ये क्वासिपार्टिकल्स फिर एल्युमीनियम के माध्यम से तब तक तैरते हैं जब तक कि वे टंगस्टन (tungsten) से बने एक छोटे से सेंसर तक नहीं पहुँच जाते, जिसे सुपरकंडक्टर बनने की दहलीज पर रखा जाता है। जब क्वासिपार्टिकल्स पहुँचते हैं, तो वे टंगस्टन को इतना गर्म कर देते हैं कि इसकी विद्युत प्रतिरोधकता बदल जाती है, जिससे एक सिग्नल बनता जिसे वैज्ञानिक पढ़ सकते हैं।

इस पूरी प्रक्रिया की दक्षता इस बात पर बहुत निर्भर करती है कि एल्युमीनियम की फिल्म कितनी अच्छी तरह से बनाई गई है। यदि एल्युमीनियम सूक्ष्म दोषों से भरा है या इसकी आंतरिक संरचना अव्यवस्थित और गंदी है, तो क्वासिपार्टिकल्स सेंसर तक पहुँचने से पहले ही फंस जाते हैं या बिखर जाते हैं, और सिग्नल खो जाता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या वे सिलिकॉन पर एल्युमीनियम छिड़कने की स्थितियों को बदलकर इसमें सुधार कर सकते हैं। उन्होंने दो समान डिटेक्टर बनाए, जिनमें बिल्कुल एक ही सिलिकॉन ब्लॉक और एक ही टंगस्टन सेंसर का उपयोग किया गया। एकमात्र अंतर वह मशीन थी जिसका उपयोग एल्युमीनियम की परत जमा करने के लिए किया गया था। एक मशीन, जिसे AJA कहा जाता था, का उपयोग एल्युमीनियम जमा करने के लिए सिलिकॉन को उच्च तापमान पर गर्म करते हुए किया गया था। दूसरी मशीन, जिसे SEGI कहा जाता था, ने कमरे के तापमान पर एल्युमीनियम जमा किया।

जब टीम ने एल्युमीनियम फिल्मों की जांच की, तो अंतर स्पष्ट था। गर्म प्रक्रिया से बनी फिल्म में बहुत बड़े, अधिक व्यवस्थित आंतरिक क्रिस्टल, जिन्हें ग्रेन (grains) कहा जाता है, थे और इसका रेसिड्यूअल-रेसिस्टिविटी रेश्यो (residual-resistivity ratio) कमरे के तापमान वाली फिल्म की तुलना में लगभग दोगुना था। सरल शब्दों में, इसका अर्थ है कि गर्म एल्युमीनियम बहुत अधिक स्वच्छ और व्यवस्थित था, जो क्वासिपार्टिकल्स के यात्रा करने के लिए एक चिकना मार्ग प्रदान करता था। शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे एल्युमीनियम की सतह को भी देखा और पाया कि गर्म फिल्म बहुत अधिक खुरदरी थी, जो इस विशिष्ट मामले में यह संकेत देती है कि आंतरिक ग्रेन बड़े और स्तंभकार (columnar) रूप में विकसित हुए थे, जो उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री का संकेत है।

जब टीम ने एक रेडियोधर्मी स्रोत के संपर्क में लाकर डिटेक्टरों का परीक्षण किया, तो परिणामों ने उनकी परिकल्पना की पुष्टि की। गर्म एल्युमीनियम फिल्म वाले डिटेक्टर ने कमरे के तापमान वाली फिल्म की तुलना में अनकैलिब्रेटेड आयाम (uncalibrated amplitude) में दोगुने से अधिक का सिग्नल उत्पन्न किया। शोधकर्ताओं ने सेंसर की विद्युत प्रतिक्रिया को मापा और पाया कि बेहतर डिटेक्टर से मिलने वाला सिग्नल काफी बड़ा था, भले ही डिटेक्टर पर लगने वाली ऊर्जा की मात्रा समान थी। इसका अर्थ है कि बेहतर एल्युमीनियम फिल्म ने सफलतापूर्वक कण टकराव से अधिक ऊर्जा एकत्र की और सेंसर तक पहुँचाई, हालांकि टीम नोट करती है कि यह तुलना एकत्रित ऊर्जा में पूर्ण सुधार के बजाय सापेक्ष रिस्पॉन्स वितरण (relative response distributions) को दर्शाती है। सिग्नल थोड़ा अधिक समय तक भी रहा, जिससे पता चलता कि क्वासिपार्टिकल्स अधिक स्वतंत्र रूप से यात्रा कर रहे थे और सेंसर तक पहुँचने में अपना समय ले रहे थे, बजाय इसके कि वे बीच में ही फंस जाते या खो जाते।

यह खोज डार्क मैटर और न्यूट्रिनो डिटेक्शन के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम है। शोधकर्ता बताते हैं कि चूंकि सिग्नल बहुत अधिक मजबूत है, इसलिए अब वे सिग्नल खोने की चिंता किए बिना बहुत बड़े सतह क्षेत्र वाले डिटेक्टरों को डिजाइन कर सकते हैं। डिटेक्टर के आकार को सिग्नल की गुणवत्ता में सुधार के वर्ग (square) द्वारा प्रभावी रूप से बढ़ाया जा सकता है। जिस सुधार को उन्होंने हासिल किया है, उसके साथ वे सैद्धांतिक रूप से चार गुना बड़े सेंसर बना सकते हैं, जो दुर्लभ कण घटनाओं को पकड़ने की उनकी संभावनाओं को नाटकीय रूप से बढ़ा देगा। जबकि टीम अभी भी यह मापने पर काम कर रही है कि नए पदार्थ में क्वासिपार्टिकल्स कितने समय तक जीवित रहते हैं, सिग्नल की ताकत में स्पष्ट वृद्धि यह सिद्ध करती है कि एल्युमीनियम जमा करने के दौरान उसे गर्म करने की विधि अगली पीढ़ी के अत्यंत संवेदनशील ब्रह्मांडीय डिटेक्टरों के निर्माण के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।