व्हॅलीट्रॉनिक्स (दरी तंत्रज्ञान) हे उदयाला येणारे पुंज (क्वांटम) तंत्रज्ञान असून सध्याच्या इलेक्ट्रॉनिक्सच्या तुलनेत माहितीवर अतिशय वेगाने प्रक्रिया करणे त्यामुळे शक्य होणार आहे. इलेक्ट्रॉन्सच्या ऊर्जा पट्ट संरचनेतील स्थानिक लघुत्तमे (मिनिमा) दरी (इंग्रजीत व्हॅली) सारखी दिसतात, त्यांना दरी स्थिती म्हणतात. व्हॅलीट्रॉनिक्सवर आधारित असलेल्या पुंज संगणनात माहितीचे संकेतन करणे, त्यावर प्रक्रिया करणे आणि ती साठवून ठेवणे यासाठी दरी स्थितींचा उपयोग केला जातो. दरी स्थितीत बदल घडवून आणण्याचा एक मार्ग म्हणजे इन्फ्रारेड प्रकाशाचा वापर करणे. या पद्धतीच्या संगणनासाठी ज्यातून निघणाऱ्या प्रकाशाची दिशा नियंत्रित करता येईल अश्या कमी खर्चिक इन्फ्रारेड स्रोताची आवश्यकता भासते.
भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) येथील संशोधकांनी एका नवीन तंत्रज्ञान संचाचा प्रस्ताव मांडला असून त्यामध्ये प्रकाशाची तीव्रता आणि दिशा नियंत्रित करण्यासाठी विद्युत दाबाचा वापर केला जातो. या तंत्रज्ञानाचा वापर पुंज संगणनासाठी(क्वांटम कंप्युटिंग) दरी स्थिती नियंत्रित करण्यासाठी होतो. तसेच रासायनिक रेणू ओळखणे, जैविक प्रतिमांकन करणे किंवा प्रकाशाच्या अधिक तेजस्वी स्रोताची रचना करणे यासाठीही त्याचा वापर करता येतो. संशोधकांनी हा तंत्रज्ञान संच तयार करण्यासाठी ग्राफीन आणि अल्फा मॉलिब्डेनम ट्रायऑक्साईड यांच्या हेटरोस्ट्रक्चरचा वापर केला आहे. दोन वेगवेगळे पदार्थ एकत्र येऊन जी अर्धवाहक रचना तयार होते तिला हेटरोस्ट्रक्चर असे म्हणतात. यामध्ये स्थितीनुसार रासायनिक रचना बदलत जाते. ग्राफीन हा एक द्विमितीय पदार्थ असून विद्युत दाबाच्या सहाय्याने त्याचे प्रकाशीय प्रवहन नियंत्रित करता येते. तर अल्फा मॉलिब्डेनम ट्रायऑक्साईड हादेखील एक बहुस्तरीय द्विमितीय पदार्थ असून त्याचे प्रकाशीय गुणधर्म वेगवेगळ्या दिशांना वेगवेगळे असतात.
हा शोधनिबंध दि ग्रॉयतर नॅनोफोटॉनिक्स या जर्नलमध्ये प्रकाशित झाला. या संशोधनासाठी विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभाग, भारत सरकार यांचे अर्थसहाय्य मिळाले. अल्फा मॉलिब्डेनम ट्रायऑक्साईड आणि ग्राफीन यांच्या हेटरोस्ट्रक्चरमध्ये प्रकाशावर नियंत्रण ठेवण्यासाठी विद्युतदाबाचा वापर करणारे हे पहिलेच संशोधन आहे.
वैशिष्ट्यपूर्ण आणि अनोख्या गुणधर्मांमुळे द्विमितीय पदार्थ पुंज संगणन आणि नॅनोतंत्रज्ञानासाठी योग्य समजले जात असून त्यांना अधिकाधिक महत्त्व येऊ लागले आहे. ते एका अणुएवढ्या जाडीच्या पत्र्याच्या रूपात असतात. पत्र्याच्या स्वरूपात असलेल्या या पदार्थाचे काही रोचक गुणधर्म दिसून येतात. त्याच पदार्थाच्या ठोकळ्याच्या गुणधर्मांपेक्षा ते वेगळे असतात.
या प्रस्तावित हेटरोस्ट्रक्चरमध्ये सिलिकॉनच्या अधःस्तरावर अल्फा मॉलिब्डेनम ट्रायऑक्साईडचा एक थर असतो. अल्फा मॉलिब्डेनम ट्रायऑक्साईडवर ग्राफीनचा एक थर असून, ह्या रचनेस विद्युत पुरवठा करण्यासाठी ग्राफीनच्या थरावर एक अग्र असते, ज्याला गेट म्हणतात. इन्फ्रारेड प्रकाशाची ग्राफीनमधल्या इलेक्ट्रॉन्सबरोबर आंतरक्रिया झाल्याने होणाऱ्या इन्फ्रारेड उत्सर्जनाची तीव्रता विद्युतदाबाच्या मदतीने नियंत्रित करता येते. मात्र तीव्रतेबरोबरच जर प्रकाशाची दिशा आणि ध्रुवीकरण यावरही नियंत्रण ठेवता आले तर याचे अधिक उपयुक्त वापर शक्य होतील. अल्फा मॉलिब्डेनम ट्रायऑक्साईड हा एक रोचक पदार्थ असून त्यामधून एकाच प्रतलात विविध दिशांना वेगवेगळ्या प्रमाणात प्रकाश पलीकडे जातो (दिशेनुसार बदलती पारगम्यता). एखादे विशिष्ट ध्रुवीकरण असलेला प्रकाश एका दिशेला अडवला जातो पण दुसऱ्या दिशेला मात्र तोच सहज पलीकडे जाऊ शकतो. या दोन पदार्थांच्या एकत्रित गुणधर्मांमुळे हेटरोस्ट्रक्चर प्रतलात प्रकाशाचा एक मोहक आकृतीबंध तयार होतो.
प्रतिमा: संशोधकांनी तयार केलेल्या हेटरोस्ट्रक्चरचा उत्स्फूर्त उत्सर्जन आकृतीबंध बघितला असता गेट विद्युतदाब बदलल्यावर तयार होणारा रोचक आकृतीबंध दिसून येतो.
“या हेटरोस्ट्रक्चरमुळे अधिक मोठी क्रियात्मक पट्टरुंदी मिळते व प्रकाश अधिक अंतरापर्यंत पोचू शकतो. ह्या दोन्ही गोष्टी एकत्रितपणे साध्य करणे दोहोंपैकी कुठलाही एकच पदार्थ वापरल्यास शक्य होत नाही. त्याच बरोबर, प्रकाशाच्या प्रसाराची दिशा नियंत्रित करण्यासाठी विद्युतदाबाचा किंवा आपाती प्रकाशाच्या ध्रुवीय स्थितीचा किंवा या दोन्ही गोष्टींचा वापर आपण करू शकतो,” असे सदर संशोधनात सहभागी असलेले डॉ. सौरभ दीक्षित सांगतात.
संशोधकांनी यामध्ये पर्सेल परिणामाचा वापर केला आहे. ही एक पुंज घटना असून एखाद्या रेणूतून उत्स्फूर्तपणे बाहेर पडणारा प्रकाश त्याभोवतीच्या माध्यमाची पराविद्युत पारगम्यता (एखाद्या पदार्थाची विद्युतचुंबकीय ऊर्जा साठवून ठेवण्याची क्षमता) बदलून वाढवता येतो. “विद्युतदाबाचा वापर करून ग्राफीनच्या मदतीने प्रस्तावित तंत्रज्ञान संचाची पराविद्युत पारगम्यता जुळवून घेण्यासाठी आम्ही पर्सेल परिणामाचा फायदा करून घेतो. प्रस्तावित संचाच्या जवळ असणाऱ्या उत्सर्जीमधून बाहेर पडणाऱ्या प्रकाशाचा उत्सर्जन आकृतिबंध नियंत्रित करता आल्याने व्हॅली क्युबिटचा (क्युबिट म्हणजे क्वांटम बिट म्हणजेच क्वांटम माहितीचे मूलभूत एकक होय.) वापर करणे सोपे जाते,” असे यावर काम करणारे संशोधक श्री. अनिश बापट सांगतात.
संशोधकांनी गणितीय विश्लेषण आणि संगणकीय अनुरूपणाच्या (सिम्युलेशन) आधारे प्रस्तावित हेटरोस्ट्रक्चरच्या गुणधर्मांचे विश्लेषण केले. ह्या विश्लेषणातून संशोधकांनी दाखवले की व्हॅलीट्रॉनिक्स उपकरणे तयार करण्यासाठी या तंत्रज्ञानाच्या माध्यमातून एक सोयीचा मार्ग मिळू शकतो. “अगदी नॅनोस्केलवरदेखील अचूक विद्युतदाब वापरण्याचे तंत्रज्ञान अगोदरच पूर्ण विकसित झाले आहे. (आमचे तंत्रज्ञान व्हॅलीट्रॉनिक्स उपकरणे तयार करण्यासाठी उपयुक्त आहे) ही एक महत्त्वाची घटना आहे. आमची पद्धत वापरून व्हॅलीट्रॉनिक्सवर आधारित क्वांटम सर्किट्स प्रत्यक्ष चिपवर आणणे सोपे झाले आहे.” असे या संशोधनाचे नेतृत्व करणारे प्रा. अंशुमन कुमार सांगतात.
या तंत्रज्ञान संचाचा वापर जैविक रेणू ओळखणे आणि अतिसूक्ष्म आकाराची इलेक्ट्रॉनिक सर्किट्स थंड ठेवणे यासारख्या इतर गोष्टींसाठीदेखील केला जाऊ शकतो. यातून पुंज व्यतिकरण (क्वांटम इंटरफरन्स), गेटच्या सहाय्याने नियंत्रित करता येणारी प्रतलीय अपवर्तन उपकरणे, उत्सर्जन संरचना अभियांत्रिकी आणि क्वांटम क्षेत्र गुंतागुंत यामधील वापरांसाठी नवीन मार्ग उपलब्ध होत आहेत.