On-chip nanoplasma for adaptive electromagnetic protection

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, सड़कों पर चलने वाले रोबोट से लेकर हमारी उड़ानों का मार्गदर्शन करने वाले उपग्रहों तक, रेडियो-फ्रीक्वेंसी फ्रंट एंड नामक तकनीक की एक नाजुक परत पर निर्भर करते हैं। यह प्रणाली डिवाइस और विद्युत चुम्बकीय तरंगों की अदृश्य दुनिया के बीच एक सेतु के रूप में कार्य करती है, जिससे इसे संकेत भेजने और प्राप्त करने की अनुमति मिलती है। यह एंटीना और एम्पलीफायर जैसे सूक्ष्म घटकों से बनी होती है जो लगातार विशिष्ट आवृत्तियों (frequencies) पर ट्यून होते रहते हैं। हालाँकि, यह संवेदनशीलता ही इसकी एक कमजोरी भी है। माइक्रोवेव स्रोतों से भरे वातावरण में, ये उपकरण 'हाई-पावर माइक्रोवेव्स' नामक खतरे का सामना करते हैं। ये ऊर्जा के तीव्र विस्फोट होते हैं जो पलक झपकते ही इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में घुस सकते हैं, जिससे अपूरणीय क्षति होती है और महत्वपूर्ण प्रणालियाँ ठप हो जाती हैं। दशकों से, इंजीनियर इन सर्किटों को ऐसे स्विचों का उपयोग करके सुरक्षित करने का प्रयास कर रहे हैं जो ऐसे खतरनाक उछाल (surges) को तुरंत रोक सकें, जबकि सामान्य, कमजोर संकेतों को गुजरने दें। मानक समाधान सेमीकंडक्टर डायोड रहा है, जो एक छोटा इलेक्ट्रॉनिक वॉल्व है जो आने वाले सिग्नल की शक्ति के आधार पर अपना व्यवहार बदल देता है। फिर भी, जैसे-जैसे खतरे अधिक शक्तिशाली और तेज़ होते गए हैं, ये पारंपरिक डायोड विफल होने लगे हैं, क्योंकि वे गर्मी के बढ़ने और उन भौतिक सीमाओं से जूझ रहे हैं जो उन्हें सबसे उन्नत उपकरणों को बचाने के लिए पर्याप्त तेज़ी से प्रतिक्रिया करने से रोकती हैं।

नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ डिफेंस टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग रास्ता प्रस्तावित किया है, जो ठोस पदार्थों से दूर हटकर एक ऐसी पदार्थ अवस्था (state of matter) की ओर बढ़ रहा है जो केवल एक क्षण के लिए अस्तित्व में रहती है: प्लाज्मा। अपने नए अध्ययन में, वे एक माइक्रोस्कोपिक स्विच का वर्णन करते हैं जो सीधे कंप्यूटर चिप पर बनाया गया है, जो दो इलेक्ट्रोड के बीच फंसे गैस की एक पतली परत का उपयोग करके एक सुरक्षात्मक बाधा बनाता है। सिलिकॉन के एक ठोस टुकड़े के भीतर इलेक्ट्रॉनों की गति पर निर्भर रहने के बजाय, यह उपकरण, जिसे वे 'नैनोप्लाज्मा स्विच' कहते हैं, एक मजबूत विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के आने का इंतज़ार करता है। जब एक खतरनाक उछाल (surge) आता है, तो विद्युत क्षेत्र इतना तीव्र हो जाता है कि वह इलेक्ट्रोड की सतह से इलेक्ट्रॉनों को छीन लेता है, जिससे उनके बीच की हवा का छोटा सा अंतराल एक अत्यधिक सुचालक प्लाज्मा में बदल जाता है। यह लगभग तुरंत होता है, जिससे एक शॉर्ट सर्किट बनता है जो खतरनाक ऊर्जा को इसके पीछे के संवेदनशील सर्किटों से दूर मोड़ देता है। एक बार जब उछाल गुजर जाता है, तो प्लाज्मा गायब हो जाता है, और अंतराल फिर से एक इंसुलेटर बन जाता है, जिससे सामान्य संकेतों को प्रवाहित होने की अनुमति मिलती है। शोधकर्ताओं ने इन स्विचों को सिलिकॉन कार्बाइड बेस पर गैलियम नाइट्राइड इलेक्ट्रोड का उपयोग करके बनाने का विकल्प चुना, जो अत्यधिक गर्मी और विकिरण को सहने की क्षमता के लिए जाने जाते हैं, जो वे सामान्य समस्याएँ हैं जो पारंपरिक स्विचों को पिघला या विफल कर देती हैं।

टीम ने इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए तीन अलग-अलग प्रकार के सुरक्षात्मक उपकरण बनाए: एक सपाट सतह जो हवा से तरंगों को रोक सकती है, एक विशेष एंटीना जो खतरनाक संकेतों को प्राप्त करना रोक सकता है, और एक सर्किट घटक जो तार के माध्यम से बहने वाली शक्ति को सीमित कर सकता है। अपने प्रयोगों में, उन्होंने इन उपकरणों को शक्तिशाली माइक्रोवेव पल्स के संपर्क में रखा और उनके प्रदर्शन को मापा। परिणामों ने दिखाया कि नैनोप्लाज्मा स्विच वर्तमान डायोड-आधारित प्रोटेक्टर्स की तुलना में कहीं अधिक शक्तिशाली विद्युत क्षेत्रों को संभाल सकते हैं। जहाँ पारंपरिक उपकरण अक्सर 67,000 वोल्ट प्रति मीटर के आसपास के क्षेत्रों के साथ संघर्ष करते हैं, वहीं नए स्विच बिना विफल हुए 123,000 वोल्ट प्रति मीटर से अधिक के क्षेत्रों को झेल सके। इसके अलावा, क्योंकि स्विच को पुराने घटकों के लिए आवश्यक भारी पैकेजिंग और सोल्डरिंग के बिना सीधे चिप में बनाया गया है, यह बहुत उच्च आवृत्तियों पर प्रभावी ढंग से कार्य करता है, जो मिलीमीटर तरंगों (millimeter waves) की सीमा तक पहुँचता है जहाँ आधुनिक रडार और संचार प्रणालियाँ संचालित होती हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि उपकरण हजारों बार दोहराए गए पल्स से बिना खराब हुए जीवित रह सकता है, जो दर्शाता है कि यह कठोर वातावरण में दीर्घकालिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक वह गति थी जिस पर ये स्विच कार्य करते हैं। सुरक्षित, खुले अवस्था से सुरक्षात्मक, बंद अवस्था में संक्रमण मात्र पिकोसेकंड (picoseconds) में होता है, एक ऐसा समय अंतराल जो समझने में बहुत कठिन है। यह तीव्र प्रतिक्रिया डिवाइस को किसी भी नुकसान के कारण बनने से पहले खतरनाक उछाल पर नियंत्रण पाने की अनुमति देती है। जैसा कि अध्ययन में दर्शाया गया है, एक असुरक्षित कमर्शियल एम्बॉडीड इंटेलिजेंट रोबोट हाई-पावर माइक्रोवेव विकिरण के कारण लिडार (LIDAR) और पावर सप्लाई की क्षति के चलते काम करना बंद कर देता है, जो ऐसे सुरक्षा की महत्वपूर्ण आवश्यकता को रेखांकित करता है। टीम ने यह भी सिम्युलेट किया कि चरम स्थितियों के तहत डिवाइस कैसे व्यवहार करता है, जिससे पुष्टि हुई कि स्विचिंग प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न गर्मी इतनी कुशलता से निकल जाती है कि इलेक्ट्रोड को पिघलने से रोका जा सके, जो अन्य डिजाइनों में विफलता का एक सामान्य बिंदु है। ऐसे पदार्थों का उपयोग करके जो गर्म होने पर पिघलने के बजाय विघटित (decompose) हो जाते हैं, यह डिज़ाइन उन शॉर्ट सर्किटों के निर्माण से बचता है जो अक्सर एक तीव्र घटना के बाद सुरक्षात्मक उपकरणों को बर्बाद कर देते हैं।

इस कार्य के निहितार्थ केवल अधिक मजबूत रोबोट या अधिक टिकाऊ रेडियो बनाने तक ही सीमित नहीं हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इस तकनीक को अगली पीढ़ी के इमेजिंग सिस्टम और उच्च-परिशुद्धता वाले डिटेक्शन उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले परिष्कृत सेंसरों की सुरक्षा के लिए बढ़ाया जा सकता है। चूंकि स्विच मानक चिप-बनाने की प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाए गए हैं, इसलिए उन्हें मानव रहित हवाई वाहनों (UAVs) से लेकर उपग्रहों तक, विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक प्लेटफार्मों में एकीकृत किया जा सकता है। अध्ययन इंगित करता है कि यह दृष्टिकोण टेराहर्ट्ज़ (terahertz) रेंज सहित उन आवृत्तियों के व्यापक स्पेक्ट्रम में काम करने वाले अनुकूल सुरक्षात्मक प्रणालियों (adaptive protection systems) के द्वार खोल सकता है, जिन्हें वर्तमान में ढालना (shielding) कठिन है। हालांकि यह तकनीक अभी विकास के शुरुआती चरणों में है और स्विच को ट्रिगर करने के लिए आवश्यक वोल्टेज को कम करने के लिए और अधिक शोध की आवश्यकता है, लेकिन परिणाम एक स्पष्ट 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि सॉलिड-स्टेट स्विचों को ऑन-चिप नैनोप्लाज्मा से बदलकर, एक सुरक्षात्मक परत बनाना संभव है जो न केवल अधिक मजबूत और तेज़ है, बल्कि भविष्य के तीव्र विद्युत चुम्बकीय वातावरण में जीवित रहने में भी सक्षम है।