वेगवान आणि ऊर्जा-कार्यक्षम संगणनासाठी 'वॅलीट्रॉनिक्स'

सिलिकॉन वापरून बनवलेल्या इलेक्ट्रॉनिक चिप्सचा आकार गेल्या ५० वर्षात २००० पटीने लहान झाला आहे. अशी लहान उपकरणे वापरून इलेक्ट्रॉनिक सर्किट सूक्ष्म आणि दाट करण्याच्या मर्यादा आता आपण गाठत आहोत. उपलब्ध जागेत जास्त संगणन क्षमता बसवण्याकरता संशोधक नवीन पदार्थांचा आणि तंत्रज्ञानाचा शोध घेत आहेत; काही आण्विक गुणधर्मांचा उपयोग करून हे साध्य करता येईल का ह्याचा पण अभ्यास करत आहेत. सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक सर्किट खूप दाट असल्याने, त्यांचे कार्य चालू असताना कमी क्षेत्रात खूप उष्णता निर्माण होते. आपल्या मोबाइल फोनच्या मायक्रोप्रोसेसरच्या केवळ १ सेमी x १ सेमी आकाराच्या इलेक्ट्रॉनिक चिप मध्ये जेव्हा नॅनोमीटर आकाराचे अनेक दशलक्ष ट्रान्सिस्टर (इलेक्ट्रॉनिक सर्किटचा मूलभूत घटक) त्यांच्या दोन स्थिती(लॉजिक स्टेट्स) ‘०’ आणि ‘१’, वेगाने बदलतात तेव्हा निर्माण होणाऱ्या उष्मा ऊर्जेची घनता प्रचंड असते.

संगणन क्षमता आणि ऊर्जा-कार्यक्षमता दोन्ही वाढवायचे असेल तर नवनवीन तंत्रज्ञान व पदार्थांचा शोध घेणे अत्यंत गरजेचे आहे. 'वॅलीट्रॉनिक्स' हे उदयोन्मुख तंत्रज्ञान ही गरज भागवू शकते. या तंत्रज्ञानात माहितीचे पुंज पद्धतीने संकेतन, म्हणजे क्वान्टम एन्कोडिंग करता येते आणि त्यामुळे सध्या चर्चेत असलेल्या पुंज संगणनासाठी (क्वान्टम कॉम्पुटिंग) ह्याचा उपयोग होऊ शकतो.

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई येथील पदवी अभ्यासक्रमाचे विद्यार्थी कौस्तव जाना आणि प्राध्यापक भास्करन मुरलीधरन यांनी दरी तंत्रज्ञान (वॅलीट्रॉनिक्स) प्रणालीचा महत्वाचा भाग असलेल्या दरी ध्रुवीकरण (वॅली पोलरायझर) उपकरणासाठी एक नवीन रचना प्रस्तावित केली आहे. सदर रचना भक्कम असून, ह्यात केवळ विद्युतक्षेत्राचा उपयोग करून दरी ध्रुवीकरण साध्य होते. सदर नवीन रचनेवर आधारित उपकरणे तयार करण्यासाठी सध्या उपयोगात असलेले सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनवण्यासाठीचे उत्पादन तंत्रज्ञान वापरता येणे शक्य आहे. त्यामुळे अद्ययावत सर्किट्स मध्ये ही नवीन उपकरणे सहज बसवता येतील. सदर रचनेसाठी संशोधकांनी काही विशिष्ट पदार्थांच्या एकाच अणूएवढ्या जाडीच्या द्विमितीय (२-D) पत्र्याचा उपयोग सुचवला आहे. या संशोधनावर आधारित लेख एनपीजे २D मटेरियल्स अँड ॲप्लिकेशन्स नियतकालिकात प्रकाशित झाला आहे. या कार्यात विज्ञान आणि अभियांत्रिकी संशोधन मंडळ (SERB), इलेक्ट्रॉनिक्स व माहिती तंत्रज्ञान मंत्रालय (MEITY) आणि शिक्षण मंत्रालय (पूर्वाश्रमीचे मानवी संसाधन मंत्रालय) यांनी अर्थसहाय्य दिले आहे.

संगणकामध्ये माहिती दर्शवण्यासाठी व संगणन करण्यासाठी ‘०’ आणि ‘१’ या केवळ दोनच स्थितींचे वेगवेगळे संयोग वापरतात. या दोन स्थिती दर्शवण्यासाठी समजण्यास सोयीच्या असलेल्या पद्धती उपयोगात आणल्या जातात, उदाहरणार्थ स्विच ‘चालू’ अथवा ‘बंद’, किंवा एखादी तरफ (लिव्हर) वर किंवा खाली असणे. आजमितीस अशा लॉजिक सर्किट आणि मेमरी तंत्रज्ञानात इलेक्ट्रॉनच्या विद्युत भार व संबंधित गुणधर्मांचा वापर केलेला आहे. ‘०’ आणि ‘१’ या स्थिती विद्युत भार किंवा विद्युत धारेचा प्रवाह, असणे अथवा नसणे या आधारे दाखवल्या जातात.

संशोधक सध्या इलेक्ट्रॉनच्या पुंज (क्वांटम) गुणधर्मांचा उपयोग संगणनासाठी आवश्यक स्थिती दर्शित करण्यासाठी कसा करता येईल ह्याचा अभ्यास करत आहेत. इलेक्ट्रॉनचा अभ्रास (इलेक्ट्रॉन स्वतःभोवती फिरत असता तर निर्माण झालेला कोनीय संवेग दर्शवणारे एक परिमाण) व दरी मुक्तता कोटि (वॅली डिग्री ऑफ फ्रिडम) ह्या दोन गुणधर्मांचा विचार ते करत आहेत. द्विमितीय पदार्थांच्या इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा पट किंवा बँड रचनेत काही महत्तमे-लघुत्तमे आढळतात, जी दरी मुक्तता कोटिंशी संगत असतात. त्यांचा वापर करून ‘०’ आणि ‘१’ अशा द्विपद (बायनरी) स्थिती दर्शवता येऊ शकतात. सदर महत्तमे-लघुत्तमे दरी (इंग्रजी मध्ये वॅली) समान दिसतात म्हणून त्या आधारित तंत्रज्ञानाला वॅलीट्रॉनिक्स (दरी तंत्रज्ञान) नाव दिले गेले आहे.

द्विमितीय पदार्थांमधील स्थिर दरी-स्थिती

पुंज सिद्धांतानुसार इलेक्ट्रॉन मध्ये कण आणि तरंग दोन्हीचे गुणधर्म दिसून येतात. बहुतांश पदार्थांच्या ढोबळ गुणधर्मांचा (मॅक्रोस्कोपिक) अभ्यास करताना त्यांच्यातील पुंज परिणामांचा विचार निराळा न करता वस्तुमान, वाहकता अश्या परिणामी ढोबळ परिमाणांतच समाविष्ट केला जातो. परंतु काही विशिष्ट पदार्थांमध्ये इलेक्ट्रॉन्सचे तरंग स्वरूप आणि त्या अनुषंगाने येणारे पुंज गुणधर्म ह्यांचा विचार ढोबळ परिमाणांचा विचार करताना देखील करावा लागतो. अशा पदार्थांना पुंज पदार्थ (क्वांटम मटेरियल्स) म्हणतात. बरेचसे द्विमितीय पदार्थ पुंज पदार्थ प्रकारात मोडतात.

ग्राफीन हे कार्बनचे 2D म्हणजे द्विमितीय रूप आहे. त्यातील कार्बनचे अणू एकाच प्रतलात असतात व त्यांची रचना षट्कोनी जालकासारखी (लॅटीस) असते. कार्बन प्रमाणे संयुजा चार असलेल्या सिलिकॉन, जर्मेनिअम आणि टिन या मूलद्रव्य पदार्थांची देखील द्विमितीय रूपे आहेत ज्यांना अनुक्रमे सिलिसिन, जर्मेनीन आणि स्टॅनीन म्हणतात. या पत्र्यासारख्या द्विमितीय पदार्थांना एकत्रितपणे द्विमितीय-एक्सीन (2D-Xene) प्रकार म्हणतात. त्यांच्यात एक विलक्षण गुणधर्म असतो. काही विशिष्ट परिस्थितींमध्ये या पदार्थाच्या द्विमितीय तुकड्याचा मुख्य मधला भाग सर्वसाधारण विद्युतरोधकासारखा असतो परंतु पदार्थाच्या पत्र्याच्या कडा विद्युत वाहक असतात. त्यातून कोणत्याही विद्युतरोधाशिवाय सहज धारा वाहू शकते. “शहरामध्ये वाहनांच्या गर्दीतून वाहन चालवणे व व्यवस्थित लेन आखणी केलेल्या महामार्गावरून वाहन चालवण्यात जो फरक आहे तसाच या पदार्थांच्या विद्युत वाहकते मध्ये आहे,”असे प्रा. भास्करन यांनी सांगितले. “अशा पदार्थांच्या मुख्य भागात गरजेनुसार असे बारीक विद्युत वाहक मार्ग कृत्रिमरीत्या तयार करता येतात,” अशी माहिती कौस्तुभ जाना यांनी दिली.

द्विमितीय-एक्सीन च्या ऊर्जा पातळी आलेखात दोन भिन्न दरी(वॅली) स्थिती दिसतात, ज्यांना K आणि K’ म्हटले आहे. या दरी-स्थिती द्विमितीय-एक्सीन पदार्थांच्या ऊर्जेच्या पटातील(बँड स्ट्रक्चर) दोन लघुतम स्थिती आहेत. ‘०’ व ‘१’ लॉजिक स्थिती दर्शवायला जर या दोन दरी-स्थितींचा उपयोग करायचा असेल तर या स्थिती स्थिर आणि नियंत्रित करता येण्याजोग्या हव्या. शिवाय पदार्थांमध्ये काही त्रुटी झाली तरी या स्थिती स्थिर असल्या पाहिजेत. हे साधण्यासाठी द्विमितीय-एक्सीन पदार्थांमध्ये कृत्रिमरीत्या टिकाऊ आणि मजबूत दरी-ध्रुवित (वॅली-पोलराइज्ड) विद्युत मार्ग बनवता येतात. सिलिसिन, जर्मेनीन आणि स्टॅनीन मधील जालक रचनेत अणू एकंदर द्विमितीय प्रतलाच्या किंचित वर-खाली असू शकतात. या प्रकारच्या रचनेमुळे भिन्न व स्थिर दरी-स्थिती विद्युत-नियंत्रित करता येतात. दरी-स्थितींना विलग करणे त्यांना नियंत्रित करण्याकरता आवश्यक असते.

प्रकाश किंवा चुंबकीय क्षेत्राचा वापर करून दरी-स्थितींना विलग करता येते असे पूर्वीच्या संशोधनांत सिद्ध केले आहे. परंतु वॅलीट्रॉनिक्स घटक सध्याच्या उपकरणांमध्ये वापरण्यासाठी प्रकाश किंवा चुंबकीय क्षेत्राच्या आधारे त्यांचे नियंत्रण करणे अजिबातच सोयीचे नसते. सर्व उपकरणे विद्युत उर्जेवर चालतात त्यामुळे विद्युत दाबाचा वापर करून जर दरी-स्थितींचे नियंत्रण करता आले, तर वॅलीट्रॉनिक्स घटक आणि अद्ययावत इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली एकत्रित वापरणे सहज शक्य होईल.

आयआयटी मुंबई मध्ये उपकरणाची नवीन रचना

आयआयटी मुंबईमधील संशोधकांनी द्विमितीय-एक्सीन पदार्थाचा एकच थर विद्युत भार वाहक म्हणून वापरून एक नवीन रचनेचा प्रस्ताव मांडला आहे. या वाहिकेमधून जाणारा विद्युत प्रवाह गेट नावाच्या एका अग्रातून (टर्मिनल) नियंत्रित होतो. आताच्या आधुनिक ट्रान्सिस्टर मध्ये ज्या प्रमाणे विद्युत प्रवाह नियंत्रित करणारे गेट असते तसेच सदर नवीन रचनेत आहेत. दरी-स्थिती विलग करण्यासाठीही गेटच्या या विशिष्ट रचनेचा उपयोग होतो. द्विमितीय-एक्सीनच्या रिबिनीसारख्या थराच्या वर आणि खाली गेटची रचना असून, प्रत्येक बाजूचे गेट दोन भागांत विभागलेले आहे (भाग अ आणि ब). दुभाजनाची दिशा विद्युत प्रवाहास समांतर असते. वरील-अ आणि खालील-ब भाग विद्युत पुरवठ्याच्या धन अग्राला(पॉझिटीव्ह) जोडलेले असतात आणि वरील-ब आणि खालील-अ भाग विद्युत पुरवठ्याच्या ऋण अग्राला(निगेटिव्ह) जोडलेले असतात. यामुळे अ आणि ब या दोन्ही भागांमध्ये विरुद्ध विद्युत क्षेत्र उपस्थित असते. 

^{छायाचित्र: आयआयटी मुंबईच्या वॅलीट्रॉनिक्स उपकरणाची प्रस्तावित रचना} 

गेटची अशी विभाजित रचना दरी-ध्रुवित स्थिती विलग राखायला मदत करते. शिवाय पदार्थात काही त्रुटी असल्या तरी दरी स्थिती स्थिर राहतात.

“आम्ही प्रस्तावित केलेली रचना सध्याचे ट्रान्सिस्टर गेट बनवायचे प्रचलित तंत्रज्ञान वापरून तयार करता येते. आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक प्रणालींमध्ये ही रचना सहजपणे बसवता येते,” असे प्रा. भास्करन यांनी सांगितले.

संशोधकांनी पुंज घटकांची(क्वांटम डिवाइस) प्रतिमाने रचून, सिम्युलेशन्स (अनुरुपणे) वापरून त्यांची कसून तपासणी केली आणि वेगवेगळ्या तापमानात संवाहकता (कंडक्टन्स) आणि दरी-ध्रुवीकरण तपासले. त्यांना असे दिसून आले की तापमान वाढते तसे संवाहकता पण वाढते, पण दरी-ध्रुवीकरण बिघडते. वॅलीट्रॉनिक्स घटकाच्या कार्यात व्यत्यय येऊ शकेल अशा स्थितींमध्ये पुंज घटक कसे कार्य करतात याचा देखील संशोधकांनी अभ्यास केला. पदार्थाच्या संवाहकते मध्ये व्यत्ययाच्या मात्रेमुळे फरक पडत नाही परंतु दरी-ध्रुवीकरण मात्र कमी होते असे त्यांचे निरीक्षण होते.

वॅलीट्रॉनिक्स घटकांचे विविध अंगांनी इष्टतमीकरण करण्याच्या दृष्टीने संशोधकांनी काही विश्लेषण देखील केले. इच्छित संवाहकता आणि दरी-ध्रुवीकरण मिळवण्यासाठी पदार्थ आणि त्याच्या गेट्स मधले अंतर तपासणे व इष्टतम करणे याचा समावेश होता. “आमचे संशोधन द्विमितीय-एक्सीन पदार्थांचा वॅलीट्रॉनिक्स मध्ये उपयोग करण्यासाठी मार्ग खुले करते असा विश्वास आम्हाला वाटतो,” असे संशोधकांनी सांगितले.