प्रकाशचित्र : अनस्प्लॅश द्वारा एरफान अफशारी
घन पदार्थांच्या स्फटिक रचनेतील दोषांचा उपयोग इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांचा वेग वाढवण्यासाठी कसा करता येईल ह्याचा शोध संशोधकांनी घेतला
इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे बनवण्याकरता उपयोगात येणाऱ्या अनेक घन सामग्रींमध्ये त्यांचे स्फटिक तयार होत असताना स्फटीक रचनेमध्ये दोष उत्पन्न होतात. शास्त्रज्ञांनी अनेकवेळा अशा दोषांचा उपयोग करून घेतलेला आहे, कधीकधी अगदी मुद्दाम दोष उत्पन्नही केले आहेत. उदाहरणार्थ अर्धवाहकांची विद्युत वाहकता वाढवण्यासाठी त्यात दुसऱ्या मूलद्रव्याचे काही अणू मिसळले जातात.
अलिकडील एका संशोधनात, डॉ. गोपाल दीक्षित यांच्या नेतृत्वात भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील चमूने, मॅक्स प्लॅंक इन्स्टिट्यूट फॉर स्ट्रक्चर ऍंड डायनॅमिक्स ऑफ मॅटर येथील डॉ. एंजल रुबिओ यांच्या साथीने षट्कोनी बोरॉन नाइट्राईड मधील दोषांचा उपयोग इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची कामगिरी सुधारण्यासाठी कसा करता येईल त्याचे विश्लेषण केले. त्यांचे संशोधन एनपीआर कंप्यूटेशनल मटेरियल्स ह्या कालिकात प्रसिद्ध झाले आहे.
घन पदार्थांच्या स्फटीकांची नियमित रचना काही कारणाने बिघडली की त्यात दोष (डिफेक्ट) निर्माण होतात. रचना बिघडण्याची कारणे बरीच असतात. उदाहरणार्थ, नियमित रचनेतून एक अणू काढला किंवा एखद्या अणूच्या जागी दुसऱ्या मूलद्रव्याचा अणू ठेवला तर त्याला स्फटिक दोष म्हणतात. स्फटिक दोषांवर प्रकाशाचा काय परिणाम होतो ह्याचा अभ्यास भौतिकशास्त्रज्ञ संगणकीय सदृशीकरणाचा उपयोग करून करतात. पण अजूनपर्यंत अश्या प्रकारच्या अभ्यासाला मर्यादा आहेत.
ह्या पुर्वीच्या अभ्यासांत संशोधकांनी केवळ एकाच मितीमधील, म्हणजे एका रेषेतील अणूंच्या साखळीतील, दोषांचे विश्लेषण केले आहे. प्रत्यक्ष सामग्रीचे वर्णन केवळ एकाच मितित करणे शक्य नाही. अंकीय पद्धत वापरून प्रत्यक्ष सामग्रीतील जटिल दोषांचे वर्णन करण्यासाठी खूपच जास्त संगणन क्षमता लागते त्यामुळे ते अव्यवहार्य होते.
“पण दोन्हीचा समतोल साधत, आम्हाला वास्तववादी व व्यवहार्य सदृषीकरण करता आले,” असे डॉ. दीक्षित म्हणतात.
संशोधकांनी द्विमितीय षट्कोनी स्फटिक रचना असलेल्या बोरॉन नाइट्राईडच्या अंकीय प्रतिमानांचा अभ्यास केला. ‘स्पिन’ किंवा आभ्रास ह्या वस्तूच्या एका मूलभूत गुणधर्मावर संशोधकांनी लक्ष केंद्रित केले. आभ्रासाचे दोन प्रकार असतात, वर किंवा खाली. षट्कोनी रचनेच्या शुद्ध बोरॉन नाइट्राईडचा निव्वळ आभ्रास शून्य असतो कारण बोरॉन व नायट्रोजन च्या अणूंचा आभ्रास समान महत्ततेचा व एकमेकांच्या विरुद्ध प्रकारचा असतो. पण संशोधकांनी जेव्हा बोरॉन किंवा नायट्रोजन पैकी एक अणू स्फटिक रचनेतून काढून दोष निर्माण केला तेव्हा सामग्रीचा निव्वळ आभ्रास शून्य नव्हता, दोषाच्या प्रकाराप्रमाणे निव्वळ आभ्रास वर किंवा खाली होता.
पुढच्या टप्प्यात संशोधकांनी दोष असलेल्या सामग्रीवर अत्यंत कमी अवधी असलेले तीव्र लेसर स्पंद चमकवल्यावर त्याचा काय सामग्रीवर काय परिणाम होतो ह्याचा अभ्यास करण्यासाठी संगणकीय सदृषीकरण केले. घन पदार्थांमधील इलेक्ट्रॉन वेगवेगळ्या ऊर्जापातळींमध्ये (एनर्जी लेव्हल) स्थित असतात. ह्या वेगवेगळ्या ऊर्जापातळींंना एकत्रितपणे ऊर्जा पट्टा (एनर्जी बॅंड) म्हणतात. संशोधकांना दिसले की दोष असलेल्या पदार्थांमधील इलेक्ट्रॉनच्या दोलनाची वारंवारिता, लेसर किरणांच्या वारंवारितेपेक्षा अनेकपटीने जास्त असते. फ्रीक्वेन्सी स्पेक्ट्रम किंवा वारंवारिता वितरण म्हणजे पदार्थानी उत्सर्जित केलेल्या प्रकाशाच्या वारंवारितेचा व त्याच्या तीव्रतेचा आलेख. शुद्ध पदार्थ व त्याचे दोष असलेले स्वरूप ह्या दोहोंच्या फ्रीक्वेन्सी स्पेक्ट्रम मध्ये फरक होता. दोन वेगळ्या प्रकारच्या दोषांसाठी सुद्धा फ्रीक्वेन्सी स्पेक्ट्रम वेगवेगळे होते कारण त्यांचा निव्वळ आभ्रास परस्परविरोधी होते.
अधिक संशोधन केल्यावर गटाला दिसले की, दोष असलेले पदार्थ लेसर प्रकाशाचा प्रभाव असताना कसा प्रतिसाद देतात ह्यात इलेक्ट्रॉनच्या परस्परक्रियांचीही भूमिका असते. दोन्हींच्या संयुक्त परिणामामुळे मूळ लेसर प्रकाशाच्या वारंवारितेपेक्षा खूप वेगळ्या वारंवारिता असलेला, उच्च तीव्रतेचा प्रकाश उत्पन्न होतो. उत्पादित प्रकाशाची वारंवारिता, मूळ लेसर प्राकाशाच्या वारंवारितेच्या तिप्पट असेल तर त्याची तीव्रता दोनही प्रकारच्या दोषांसाठी सारखी असते. पण उत्पन्न प्रकाशाची वारंवारिता मूळ लेसर प्रकाशाच्या वारंवारितेच्या तुलनेत तिपटीपेक्षा जास्त असेल तर उत्पन्न प्रकाशाची तीव्रता दोन प्रकाराच्या दोषांसाठी निराळी असते. संशोधकांच्या मते हे अपेक्षित आहे, कारण दोन्हीमधील इलेक्ट्रॉनचे एनर्जी बॅंड वेगवेगळे असतात.
स्फटिक रचनेतून बोरॉन किंवा नायट्रोजनचा अणू पूर्णपणे काढण्या ऐवजी, अर्धवाहक बनवताना जी प्रक्रिया वापरतात त्या डोपिंग प्रक्रियेने स्फटिक रचनेतील एखाद्या अणूच्या जागी कार्बनचा अणू ठेवला तर काय होईल ह्याचा अभ्यास संशोधकांनी केला. बोरॉनच्या अणूच्या जागी कार्बनचा अणू ठेवल्यावर त्याचा परिणाम नायट्रोजनचा अणू काढून घेतल्यासारखा होता तर नायट्रोजनच्या अणूच्या जागी कार्बनचा अणू ठेवण्याचा परिणाम बोरॉनचा अणू काढून घेतल्यासारखा असलेला दिसला.
मायक्रोप्रोसेसर चिप्स सारख्या उपकरणांचा वेग, इलेक्ट्रॉनच्या विद्युत संदेश वहनाच्या वेगाने सीमित होतो.
“आम्ही प्रथमच हे दाखवून दिले आहे की सध्या उपयोगात असलेल्या वारंवारितेच्या कैक पटीने जास्त असलेल्या वारंवारितेला इलेक्ट्रॉन ची स्पंदने नियंत्रित करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनचा आभ्रास उपयोगात आणता येतो. ह्यामुळे काळजीपूर्वक दोष उत्पन्न केलेल्या सामग्रीवर लेसर स्पंदांचा उपयोग केला असता प्रोसेसरचा वेग निदान हजार पटींनी वाढवता येणे शक्य आहे ,” असे डॉ दीक्षित म्हणाले.
तंत्रज्ञान सध्या जितक्या पटकन मूलभूत विज्ञानाला अनुकूल होत आहे, ते लक्षात घेऊन समशोधकांना वाटते आहे की त्यांच्या संशोधनाचा उपयोग येत्या दशकात नवीन, वेगवान प्रोसेसर तयार करण्यासाठी होऊ शकतो. त्यांच्या ह्या संशोधनामुळे, अधिक वास्तव घन पदार्थांमधील अधिक जटिल दोषांचा परिणाम अभ्यासण्यासाठी नवे मार्ग खुले झाले आहेत.