Rapid and highly sensitive wide-field quantum microwave imaging via pixel-wise digital lock-in detection

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स सिकुड़ रहे हैं और तेज हो रहे हैं, जिससे रेडियो-फ्रीक्वेंसी और माइक्रोवेव सर्किट उन आवृत्तियों और पावर स्तरों पर काम करने के लिए प्रेरित हो रहे हैं जो कभी अकल्पनीय थे। जैसे-जैसे ये नन्हे उपकरण अधिक जटिल होते जा रहे हैं, इंजीनियरों के सामने एक गंभीर चुनौती खड़ी हो रही है: वे उन्हें छुए या नुकसान पहुँचाए बिना उनके भीतर क्या हो रहा है, यह कैसे देखें। पारंपरिक उपकरण अक्सर उन चुंबकीय क्षेत्रों की स्पष्ट तस्वीर प्रदान करने में संघर्ष करते हैं जो इन सर्किटों को संचालित करते हैं, विशेष रूप से तब जब वे क्षेत्र कमजोर हों या शोर की परतों के नीचे छिपे हों। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने हीरे के एक अनूठे गुण की ओर रुख किया है। हीरे के भीतर, नाइट्रोजन-वैकेंसी (nitrogen-vacancy) केंद्रों नामक विशिष्ट खामियां अत्यंत संवेदनशील चुंबकीय सेंसर के रूप में कार्य करती हैं। ये वे खामियां नहीं हैं जो किसी रत्न को कम मूल्यवान बनाती हैं, बल्कि ये परमाणु-स्तर के दोष हैं जहाँ एक नाइट्रोजन परमाणु एक गायब कार्बन परमाणु के बगल में स्थित होता है। जब इन पर हरी लेजर डाली जाती है, तो ये दोष लाल रोशनी के साथ चमकते हैं, और उस चमक की तीव्रता आसपास के चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति के आधार पर बदल जाती है। यह शोधकर्ताओं को अत्यधिक सटीकता के साथ चुंबकीय क्षेत्रों का मानचित्र बनाने की अनुमति देता है, लेकिन वर्षों तक, यह प्रक्रिया बेहद धीमी रही है। सिग्नल अक्सर इतना कमजोर होता है कि वह लेजर और कैमरे के बैकग्राउंड स्टैटिक (background static) में खो जाता है, जिससे वैज्ञानिकों को हजारों तस्वीरें लेने और उन्हें आपस में औसत (average) करने के लिए मजबूर होना पड़ता है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें घंटों लग जाते हैं और जो तेजी से चलते इलेक्ट्रॉनिक संकेतों को वास्तविक समय में देखना असंभव बना देती है।

बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस गति की बाधा को तोड़ने का एक तरीका विकसित किया है, जिससे एक ऐसा सिस्टम बनाया गया है जो कुछ ही सेकंडों में एक विस्तृत क्षेत्र में माइक्रोवेव चुंबकीय क्षेत्रों की इमेजिंग कर सकता है। शोर को लंबी अवधि तक औसत निकालने के बजाय, उन्होंने एक ऐसी तकनीक पेश की है जो एक अत्यधिक चयनात्मक फिल्टर की तरह कार्य करती है, जो केवल उस सिग्नल की विशिष्ट लय को सुनती है जिसे वे खोज रहे हैं। उन्होंने यह उपलब्धि उस माइक्रोवेव सिग्नल की आवृत्ति (frequency) में थोड़ा सा बदलाव या 'विगल' (wiggle) करके हासिल की जिसे वे परीक्षण किए जा रहे उपकरण में भेज रहे थे। यह विगल, या मॉड्यूलेशन, लाल रोशनी को माइक्रोवेव फ्रीक्वेंसी के साथ पूरी तरह से तालमेल बिठाकर स्पंदित (pulse) होने के लिए प्रेरित करता है। शोधकर्ताओं ने अपने कैमरे के वीडियो फीड को पिक्सेल दर पिक्सेल देखने के लिए एक कस्टम डिजिटल प्रोग्राम का उपयोग किया, जो केवल उस विशिष्ट स्पंदन की लय की तलाश करता है। लेजर के यादृच्छिक उतार-चढ़ाव या इलेक्ट्रॉनिक शोर जैसी हर उस चीज़ को अनदेखा करके जो इस लय से मेल नहीं खाती थी, वे लगभग तुरंत ही वास्तविक सिग्नल को अराजकता से बाहर निकाल सके। डिजिटल लॉक-इन डिटेक्शन (digital lock-in detection) के रूप में जानी जाने वाली इस विधि ने उन्हें 126 नैनोटेला प्रति वर्ग रूट हर्ट्ज़ (nanotesla per square root of hertz) की संवेदनशीलता के साथ स्पष्ट चुंबकीय क्षेत्र की छवियां कैप्चर करने की अनुमति दी, जो इतनी उच्च गति पर पहले अप्राप्य थी।

इस नए दृष्टिकोण के परिणाम आश्चर्यजनक हैं। टीम ने प्रदर्शित किया कि उनका सिस्टम मिनटों या घंटों के बजाय कुछ ही सेकंडों में माइक्रोवेव फील्ड डिस्ट्रीब्यूशन की पूर्ण, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली छवि बना सकता है, जो पिछले तरीकों की तुलना में एक नाटकीय सुधार है। उन्होंने इसका परीक्षण माइक्रोस्ट्रिप लाइनों पर किया, जो सर्किट बोर्डों पर माइक्रोवेव संकेतों को निर्देशित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले बहुत छोटे तांबे के मार्ग हैं। एक प्रयोग में, उन्होंने लाइन में सीधे एक सिग्नल भेजा और स्क्रीन पर चुंबकीय क्षेत्र का मानचित्र उभरते हुए देखा। दूसरे में, उन्होंने एक हॉर्न एंटीना का उपयोग करके निष्क्रिय सर्किट पर माइक्रोवेव बीम किए, जिससे यह पता चला कि सिस्टम बिना किसी प्रत्यक्ष विद्युत कनेक्शन के भी काम कर सकता है। छवियों ने 1.6 माइक्रोमीटर के स्थानिक रिज़ॉल्यूशन (spatial resolution) के साथ चुंबकीय क्षेत्र को प्रकट किया, जो मानव बाल से भी छोटे विवरणों को देखने के लिए पर्याप्त तीक्ष्ण है। अपने मापन की विश्वसनीयता को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक चित्रों की तुलना उन्हीं सर्किटों के कंप्यूटर सिमुलेशन से की। दोनों लगभग पूरी तरह से मेल खाते थे, जिससे पुष्टि हुई कि नई तकनीक न केवल तेज़ थी, बल्कि सटीक भी थी।

केवल क्षेत्रों के मानचित्रण से परे, टीम ने दिखाया कि कैसे इस गति और संवेदनशीलता का उपयोग वास्तविक दुनिया के इलेक्ट्रॉनिक्स में दोष खोजने के लिए किया जा सकता है। उन्होंने एक व्यावसायिक रेडियो-फ्रीक्वेंसी स्विच लिया और जानबूझकर उसके सर्किट के एक हिस्से को खरोंच कर क्षतिग्रस्त कर दिया। जब उन्होंने उपकरण की इमेजिंग की, तो सर्किट के स्वस्थ हिस्सों ने एक स्पष्ट चुंबकीय सिग्नल दिखाया, जबकि क्षतिग्रस्त क्षेत्र पूरी तरह से काला दिखाई दिया, जो यह दर्शाता कि चुंबकीय पथ कट गया था। सिग्नल कहाँ प्रवाहित हो रहा है और कहाँ रुक गया है, इसे तुरंत विज़ुअलाइज़ करने की यह क्षमता उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स में समस्याओं के निदान के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करती है। शोधकर्ताओं ने विभिन्न आवृत्तियों पर परीक्षण करके अपने सिस्टम की सीमाओं का भी पता लगाया, जिससे यह प्रदर्शित हुआ कि यह 2.73 गीगाहर्ट्ज़ और 3.0 गीगाहर्ट्ज़ पर क्षेत्रों का पता लगा सकता है, जो विभिन्न परिचालन स्थितियों में इसकी बहुमुखी प्रतिभा को सिद्ध करता है। डायमंड सेंसर की प्राकृतिक संवेदनशीलता को एक चतुर डिजिटल फ़िल्टरिंग तकनीक के साथ जोड़कर, यह कार्य हमारे सबसे तेज़ इलेक्ट्रॉनिक्स के भीतर अदृश्य चुंबकीय बलों को घटित होते हुए देखने का द्वार खोलता है, जिससे एक धीमी, स्थिर प्रक्रिया एक तीव्र, गतिशील दृश्य में बदल जाती है।