Thermally reconfigurable Rubik’s-cube-inspired V–VO₂ hyperbolic metamaterial absorber for dual-band absorption and spectral coding
यह शोध पत्र एक तापीय रूप से पुनर्गठनीय V–VO₂ हाइपरबोलिक मेटा-मटेरियल एब्जॉर्बर प्रस्तुत करता है, जिसमें रुबिक्स क्यूब से प्रेरित एक सममित डिज़ाइन है जो 16–40 GHz के बीच स्थिर डुअल-बैंड ब्रॉडबैंड अवशोषण प्राप्त करता है और K- एवं Ka-बैंड इकाइयों की स्वतंत्र तापीय स्विचिंग के माध्यम से 2-बिट स्पेक्ट्रल कोडिंग को सक्षम बनाता है।
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रडार और वायरलेस संचार की अदृश्य दुनिया में, वस्तुओं को अक्सर इस आधार पर नहीं परिभाषित किया जाता कि वे क्या उत्सर्जित करती हैं, बल्कि इस आधार पर कि वे क्या परावर्तित करती हैं। जब एक रडार बीम किसी सतह से टकराती है, तो कुछ ऊर्जा वापस उछलकर वस्तु की उपस्थिति को प्रकट करती है, जबकि बाकी या तो अवशोषित हो जाती है या बिखर जाती है। सैन्य स्टील्थ (stealth) के लिए, लक्ष्य इन आने वाली तरंगों को इतनी पूरी तरह से निगल लेना है कि वस्तु रडार स्क्रीन से गायब हो जाए। हालाँकि, संचार और पहचान के लिए, लक्ष्य यह है कि कितनी ऊर्जा परावर्तित होगी और कब, इसे सटीक रूप से नियंत्रित किया जाए, जिससे एक निष्क्रिय वस्तु को सूचना ले जाने वाले सिग्नल में बदला जा सके। व्यापक अवशोषण और सटीक नियंत्रण दोनों को प्राप्त करना कठिन है क्योंकि अधिकांश सामग्रियां जो अच्छी तरह से अवशोषण करती हैं, वे केवल एक विशिष्ट, संकीर्ण आवृत्ति पर ऐसा करती हैं, जैसे कि एक रेडियो जो एक ही स्टेशन पर ट्यून किया गया हो। कई अलग-अलग आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में काम करने के लिए, जैसे कि आधुनिक रडार और सुरक्षा इमेजिंग में उपयोग किए जाने वाले बैंड, इंजीनियरों को ऐसे ढांचे डिजाइन करने चाहिए जो आने वाली तरंगों के कोण के बदलने पर भी अपनी प्रभावशीलता खोए बिना, एक साथ कई अलग-अलग आकार की तरंगों को फंसा सकें।
हारबिन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो अलग-अलग विचारों को जोड़कर इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है: एक संरचना जो रुबिक क्यूब की ज्यामिति की नकल करती है और एक सामग्री जो गर्मी के साथ अपना स्वभाव बदल लेती है। उन्होंने एक माइक्रोवेव एब्जॉर्बर (microwave absorber) डिजाइन किया जो दो विशिष्ट, उच्च-आवृत्ति श्रेणियों में कार्य करता है जिन्हें के-बैंड (K-band) और का-बैंड (Ka-band) के रूप में जाना जाता है। उनके डिजाइन का मूल एक पिरामिड है जो वैनेडियम धातु और वैनेडियम डाइऑक्साइड की वैकल्पिक परतों से बना है, जो एक ऐसी सामग्री है जो गर्म होने पर एक विद्युत विसंवाहक (insulator) से चालक (conductor) में बदल सकती है। इन परतों को एक पिरामिड के रूप में व्यवस्थित करके, जहाँ प्रत्येक परत की चौड़ाई एक विशिष्ट, गैर-रेखीय पैटर्न में बदलती है, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया जो के-बैंड में आने वाली तरंगों के 96% से अधिक और का-बैंड में 98% से अधिक को अवशोषित करता है। इस उच्च स्तर का अवशोषण इसलिए प्राप्त होता है क्योंकि तरंगें परतों के माध्यम से यात्रा करते समय धीमी हो जाती हैं, जिससे सामग्री को तरंग ऊर्जा को ऊष्मा में बदलने के लिए अधिक समय मिलता है।
डिवाइस को वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इस अवशोषण को और अधिक व्यापक बनाने की आवश्यकता थी और यह सुनिश्चित करना था कि यह तरंग के आने की दिशा या इसके ध्रुवीकरण (polarization) के बावजूद काम करे। केवल दो अलग-अलग एब्जॉर्बरों को अगल-बगल रखने से एक समस्या पैदा हुई: डिवाइस आने वाली तरंग के ओरिएंटेशन के प्रति संवेदनशील हो गया, जो एक दिशा में तो अच्छा अवशोषण करता था लेकिन दूसरी दिशा में खराब। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने रुबिक क्यूब के चेहरे से प्रेरित एक सममित, प्लस-आकार के पैटर्न में एब्जॉर्बर इकाइयों को व्यवस्थित किया। यह विन्यास, जो एक केंद्रीय के-बैंड इकाई को चार का-बैंड इकाइयों से घेरता है, संरचना की समरूपता को बहाल करता है। कंप्यूटर सिमुलेशन में, इस व्यवस्था ने डिवाइस को 16 से 40 गीगाहर्ट्ज की एक निरंतर सीमा में आने वाली ऊर्जा के 80% से अधिक को अवशोषित करने की अनुमति दी। महत्वपूर्ण रूप से, यह प्रदर्शन तब भी स्थिर रहा जब तरंगें 50 डिग्री के कोण तक सतह से टकराईं, जो सरल, रैखिक व्यवस्थाओं की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है।
इस कार्य का सबसे अभिनव पहलू डिवाइस के व्यवहार को मांग के अनुसार बदलने की क्षमता है। क्योंकि वैनेडियम डाइऑक्साइड की परतें गर्म होने पर विसंतक से धातु में बदल जाती हैं, इसलिए शोधकर्ता यह नियंत्रित कर सकते हैं कि के-बैंड इकाई या का-बैंड इकाई ऊर्जा को अवशोषित करेगी या उसे परावर्तित करेगी। इन खंडों को स्वतंत्र रूप से गर्म या ठंडा करके, डिवाइस को चार अलग-अलग अवस्थाओं के बीच टॉगल किया जा सकता है: दोनों बैंड को अवशोषित करना, केवल के-बैंड को अवशोषित करना, केवल का-बैंड को अवशोषित करना, या दोनों में से किसी को भी अवशोषित न करना। यह क्षमता एब्जॉर्बर को सूचना को एनकोड करने वाले एक टू-बिट स्विच में बदल देती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इसका उपयोग एक अर्ध-निष्क्रिय पहचान प्रणाली (semi-passive identification system) में किया जा सकता है, जहाँ एक मित्रवत विमान या वाहन को रडार स्टेशन द्वारा एक शक्तिशाली रेडियो सिग्नल भेजकर नहीं, बल्कि अपने स्वयं के रडार बीम के परावर्तन के तरीके को सूक्ष्म रूप से बदलकर पहचाना जा सकता है। रडार एक पल्स भेजेगा, वाहन अपनी पहचान की पुष्टि करने के लिए अपनी कोटिंग के विशिष्ट हिस्सों को गर्म करेगा, और रडार पहचान की पुष्टि करने के लिए परिणामी सिग्नल को पढ़ेगा।
यह अध्ययन, जो भौतिक प्रयोगों के बजाय विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित है, यह प्रदर्शित करता है कि यह तापीय रूप से पुनर्गठित (thermally reconfigurable) डिजाइन सैद्धांतिक रूप से सुदृढ़ है। सिमुलेशन दिखाते हैं कि चार अलग-अलग अवस्थाएं स्पष्ट रूप से अलग दिखने वाले सिग्नल उत्पन्न करती हैं, जिससे डेटा को एनकोड करने का एक विश्वसनीय तरीका संभव होता है। हालांकि वास्तविक समय में संचार के लिए इन सामग्रियों को पर्याप्त तेज़ी से गर्म और ठंडा करने की भौतिक चुनौती बनी हुई है, यह डिजाइन स्मार्ट सतहों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है। ये सतहें एक दिन दोहरे उद्देश्य के रूप में कार्य कर सकती हैं: वस्तुओं को पता लगाने से छिपाने के लिए प्रभावी स्टील्थ कोटिंग के रूप में कार्य करना, और साथ ही, मित्रवत रडार प्रणालियों को पहचान करने के लिए शांत, कम-शक्ति वाले बीकन के रूप में कार्य करना।
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