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Saturday, June 12, 2021

थोड़ा घूमता रहस्य: अल्ट्रामालम की गतिशीलता, परमाणुओं के अल्ट्राफास्ट समूह

ध्रुवीय भंवर

फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री में घूमते ध्रुवीय भंवर के कलाकार की अवधारणा। परमाणुओं के इन छोटे समूहों को स्थानांतरित करने के लिए उच्च आवृत्ति वाले विद्युत क्षेत्रों के साथ उत्साहित होना चाहिए, लेकिन उनके व्यवहार का अध्ययन करने से डेटा भंडारण और प्रसंस्करण में नए नवाचार हो सकते हैं। क्रेडिट: एलेन वीस / आर्गनेन नेशनल लेबोरेटरी

सामग्री में ध्रुवीय भंवर के व्यवहार को तलाशने और हेरफेर करने से तेजी से डेटा हस्तांतरण और भंडारण के लिए नई तकनीक हो सकती है। शोधकर्ताओं ने अधिक जानने के लिए एसएलएसी में उन्नत फोटॉन स्रोत और आर्गन में लिनैक सुसंगत प्रकाश स्रोत का उपयोग किया।

हमारी उच्च-गति, उच्च-बैंडविड्थ की दुनिया को लगातार जानकारी को संसाधित करने और संग्रहीत करने के नए तरीकों की आवश्यकता होती है। अर्धचालक और चुंबकीय सामग्री ने दशकों तक डेटा भंडारण उपकरणों का थोक बनाया है। हाल के वर्षों में, हालांकि, शोधकर्ताओं और इंजीनियरों ने फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की ओर रुख किया है, एक प्रकार का क्रिस्टल जिसे बिजली के साथ हेरफेर किया जा सकता है।

2016 में, फेरोइलेक्ट्रिक्स का अध्ययन इसके साथ अधिक दिलचस्प हो गया ध्रुवीय भंवरों की खोज – अनिवार्य रूप से परमाणुओं के सर्पिल-आकार के समूह – सामग्री की संरचना के भीतर। अब यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी (डीओई) आर्गनेन नेशनल लेबोरेटरी के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन भंवरों के व्यवहार में नई अंतर्दृष्टि को उजागर किया है, जो कि तेज, बहुमुखी डेटा प्रसंस्करण और भंडारण के लिए उनका उपयोग करने की दिशा में पहला कदम हो सकता है।

“आप ऐसा कुछ नहीं चाहते हैं जो एक ट्रांजिस्टर करता है, क्योंकि हमारे पास पहले से ही ट्रांजिस्टर हैं। इसलिए आप नई घटनाओं की तलाश करें। वे कौन से पहलू ला सकते हैं? हम तेज गति वाली वस्तुओं की तलाश करते हैं। यही बात लोगों को प्रेरित करती है। हम कुछ अलग कैसे कर सकते हैं? ” – जॉन फ्रीलैंड, वरिष्ठ भौतिक विज्ञानी, आरगोन नेशनल लेबोरेटरी

इन सामग्रियों में परमाणुओं के समूहों के व्यवहार के बारे में क्या महत्वपूर्ण है? एक बात के लिए, ये ध्रुवीय भंवर नई खोज कर रहे हैं, तब भी जब वे अभी भी बैठे हैं। दूसरे के लिए, यह नया शोध, कवर स्टोरी के रूप में प्रकाशित हुआ प्रकृति, पता चलता है कि वे कैसे चलते हैं। इस नए प्रकार के सर्पिल-पैटर्न वाले परमाणु गति को होने में सहलाया जा सकता है, और इसमें हेरफेर किया जा सकता है। भविष्य के डेटा प्रसंस्करण और भंडारण उपकरणों में इस सामग्री के संभावित उपयोग के लिए यह अच्छी खबर है।

“हालांकि अकेले अलग-अलग परमाणुओं की गति बहुत रोमांचक नहीं हो सकती है, ये गतियां कुछ नया बनाने के लिए एक साथ जुड़ती हैं – एक उदाहरण जो वैज्ञानिकों ने आकस्मिक घटनाओं के रूप में संदर्भित किया है – जो उन क्षमताओं की मेजबानी कर सकते हैं जिनकी हम पहले कल्पना नहीं कर सकते थे,” हैडन वेन ने कहा, आर्गन के एक्स-रे विज्ञान प्रभाग (एक्सएसडी) में भौतिक विज्ञानी।

ये भंवर वास्तव में छोटे हैं – लगभग पाँच या छह नैनोमीटर चौड़े, एक मानव बाल की चौड़ाई की तुलना में हजारों गुना छोटे, या एक ही स्ट्रैंड के रूप में दो बार चौड़े डीएनए। हालाँकि, उनकी गतिशीलता को एक विशिष्ट प्रयोगशाला वातावरण में नहीं देखा जा सकता है। उन्हें अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रिक क्षेत्र को लागू करने से उत्साहित होना चाहिए।

जिनमें से सभी का निरीक्षण करना और उनका वर्णन करना कठिन हो जाता है। वेन और उनके सहयोगी, जॉन फ्रीलैंड, जो आर्गन के एक्सएसडी में एक वरिष्ठ भौतिक विज्ञानी हैं, ने इन भंवरों का अध्ययन करने में वर्षों बिताए हैं, पहली बार अर्गोन में उन्नत फोटॉन स्रोत (एपीएस) की अल्ट्राब्राइट एक्स-रे, और सबसे हाल ही में मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर क्षमताओं के साथ। LINAC सुसंगत प्रकाश स्रोत (LCLS) डो के SLAC राष्ट्रीय त्वरक प्रयोगशाला में। APS और LCLS दोनों विज्ञान उपयोगकर्ता सुविधाओं के DOE कार्यालय हैं।

एपीएस का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने मामले की एक नई स्थिति बनाने और एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करके इसकी संरचना की एक व्यापक तस्वीर प्राप्त करने के लिए लेजर का उपयोग करने में सक्षम थे। 2019 में, टीम, जिसका नेतृत्व अरगोने और पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी ने संयुक्त रूप से किया था, में उनके निष्कर्षों की सूचना दी प्रकृति सामग्री कवर स्टोरी; डेटा कई एपीएस बीमलाइन पर लिया गया था: 7-आईडी-सी, 11-आईडी-डी, 33-बीएम और 33-आईडी-सी।

“हालांकि पदार्थ का यह नया राज्य, एक तथाकथित सुपरक्रिस्टल, स्वाभाविक रूप से मौजूद नहीं है, इसे प्रकाश का उपयोग करके दो अलग-अलग सामग्रियों की पतली परतों को सावधानी से रोशन करके बनाया जा सकता है,” वेंकटरमन गोपालन, पेन और मैटेरियल साइंस एंड इंजीनियरिंग और भौतिकी के प्रोफेसर ने कहा राज्य।

“बहुत से काम एक छोटी वस्तु की गति को मापने में चले गए,” फ्रीलैंड ने कहा। “सवाल था, हम एक्स-रे के साथ इन घटनाओं को कैसे देखते हैं? हम देख सकते हैं कि सिस्टम के साथ कुछ दिलचस्प था, कुछ ऐसा जो हम अल्ट्राफास्ट टाइमसेल प्रोब के साथ कर सकते हैं।

एपीएस नैनोसैकेड समय के तराजू पर इन भंवरों का स्नैपशॉट लेने में सक्षम था – आपकी आंखों को झपकाने के लिए सौ मिलियन गुना तेज – लेकिन शोध टीम ने पाया कि यह तेजी से पर्याप्त नहीं था।

वेन ने कहा, “हमें पता था कि कुछ रोमांचक हो रहा होगा जिसे हम पहचान नहीं सकते।” “एपीएस प्रयोगों ने हमें उस बिंदु पर पहुंचाने में मदद की, जहां हम तेजी से समय के पैमाने पर मापना चाहते थे, जिसे हम एपीएस तक पहुंच नहीं पा रहे थे। लेकिन LCLS, SLAC में हमारी बहन सुविधा, इस पहेली को हल करने के लिए आवश्यक सटीक उपकरण प्रदान करती है। ”

हाथ में अपने पूर्व शोध के साथ, वेन और फ्रीलैंड एसएलएसी और डीओई के लॉरेंस बर्कले नेशनल लेबोरेटरी (बर्कले लैब) के सहयोगियों में शामिल हो गए – पेन्सिलवेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के गोपालन और लॉन्ग-किंग चेन; जिरका ह्लिंका, चेक एकेडमी ऑफ साइंसेज के भौतिकी संस्थान में डाइलेक्ट्रीक्स विभाग के प्रमुख; विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय, मैडिसन के पॉल इवांस; और उनकी टीम – एक नया प्रयोग डिजाइन करने के लिए जो उन्हें बताएगी कि ये परमाणु कैसे व्यवहार करते हैं, और क्या उस व्यवहार को नियंत्रित किया जा सकता है। एपीएस में जो कुछ उन्होंने सीखा, उसका उपयोग करते हुए, टीम – नए पेपर के प्रमुख लेखक, कियान ली और व्लादिमीर स्टोइका, इस काम के समय एपीएस में दोनों पोस्ट-डॉक्टरेट शोधकर्ताओं ने – एसएलएसी पर एलसीएलएस में आगे की जांच की।

स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी और एसएलएसी में मैटेरियल साइंस और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और फोटॉन साइंस के एसोसिएट प्रोफेसर आरोन लिंडेनबर्ग ने कहा, “एलसीएलएस एक्स-रे बीम का उपयोग करता है, जो कि पारंपरिक एक्स-रे उपकरण तक पहुंच के समय परमाणु नहीं कर रहे हैं।” “एक्स-रे स्कैटरिंग संरचनाओं को मैप कर सकता है, लेकिन यह देखने के लिए एलसीएलएस जैसी मशीन लेता है जहां परमाणु होते हैं और यह ट्रैक करने के लिए कि वे कैसे गतिशील रूप से अकल्पनीय रूप से तेज गति से आगे बढ़ रहे हैं।”

बर्कले लैब में राममूर्ति रमेश और लेन मार्टिन द्वारा डिज़ाइन की गई एक नई फेरोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग करते हुए, टीम टेराएर्ट्ज़ फ़्रीक्वेंसी पर एक विद्युत क्षेत्र द्वारा परमाणुओं के एक समूह को गतिमान गति में उत्तेजित करने में सक्षम थी, जो आवृत्ति आपके सेल में प्रोसेसर की तुलना में लगभग 1,000 गुना तेज है फ़ोन। वे तब फेम्टोसेकंड टाइमस्केल पर उन स्पिन की छवियों को कैप्चर करने में सक्षम थे। एक फेमटोसेकंड एक दूसरे का एक क्वाड्रिल्थ है – यह समय की इतनी छोटी अवधि है कि प्रकाश केवल एक छोटे बैक्टीरिया की लंबाई के बारे में यात्रा कर सकता है, इससे पहले कि यह खत्म हो जाए।

इस स्तर की सटीकता के साथ, अनुसंधान दल ने एक नई प्रकार की गति देखी जो उन्होंने पहले नहीं देखी थी।

“इस प्रकार की गति में रुचि रखने वाले सिद्धांतकारों के बावजूद, इस प्रयोग के पूरा होने तक ध्रुवीय भंवरों की सटीक गतिशील गुण अस्पष्ट बने हुए हैं,” हिलिना ने कहा। “प्रयोगात्मक निष्कर्षों ने सिद्धांतकारों को मॉडल को परिष्कृत करने में मदद की, प्रयोगात्मक टिप्पणियों में एक सूक्ष्म अंतर्दृष्टि प्रदान की। इस तरह के ठोस नृत्य को प्रकट करना एक वास्तविक रोमांच था। “

इस खोज से प्रश्नों का एक नया सेट खुलता है जो उत्तर देने के लिए और प्रयोग करेगा, और एपीएस और एलसीएलएस दोनों प्रकाश स्रोतों के नियोजित उन्नयन से इस शोध को और आगे बढ़ाने में मदद मिलेगी। LCLS-II, अब निर्माणाधीन है, इसकी एक्स-रे दालों को 120 से 1 मिलियन प्रति सेकंड तक बढ़ाएगा, जिससे वैज्ञानिकों को अभूतपूर्व सामग्री के साथ गतिशीलता को देखने के लिए सक्षम किया जाएगा। शुद्धता

और एपीएस अपग्रेड, जो वर्तमान इलेक्ट्रॉन भंडारण रिंग को अत्याधुनिक मॉडल से बदल देगा, जो सुसंगत एक्स-रे की चमक को 500 गुना तक बढ़ा देगा, शोधकर्ताओं को इन भंवरों जैसी छोटी वस्तुओं की छवि बनाने में सक्षम करेगा। नैनोमीटर रिज़ॉल्यूशन।

शोधकर्ता पहले से ही इस ज्ञान के संभावित अनुप्रयोगों को देख सकते हैं। तथ्य यह है कि इन सामग्रियों को छोटे परिवर्तनों को लागू करके ट्यून किया जा सकता है, संभावनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला खुलती है, लिंडबर्ग ने कहा।

“एक मौलिक दृष्टिकोण से हम एक नए प्रकार के मामले को देख रहे हैं,” उन्होंने कहा। “सूचना भंडारण के एक तकनीकी दृष्टिकोण से, हम उच्च गति, उच्च बैंडविड्थ भंडारण प्रौद्योगिकी के लिए इन आवृत्तियों पर क्या हो रहा है का लाभ लेना चाहते हैं। मैं इस सामग्री के गुणों को नियंत्रित करने के बारे में उत्साहित हूं, और यह प्रयोग एक गतिशील अर्थ में ऐसा करने के संभावित तरीकों को दिखाता है, जितना संभव हो सके।

वेन और फ्रीलैंड ने सहमति व्यक्त की, यह देखते हुए कि इन सामग्रियों में ऐसे अनुप्रयोग हो सकते हैं जिनके बारे में किसी ने अभी तक सोचा नहीं है।

“आप ऐसा कुछ नहीं चाहते हैं जो एक ट्रांजिस्टर करता है, क्योंकि हमारे पास पहले से ही ट्रांजिस्टर हैं,” फ्रीलैंड ने कहा। “तो आप नई घटनाओं के लिए देखो। वे क्या पहलू ला सकते हैं? हम तेज गति वाली वस्तुओं की तलाश करते हैं। यही बात लोगों को प्रेरित करती है। हम कुछ अलग कैसे कर सकते हैं? ”

संदर्भ: कियान ली, व्लादिमीर ए। स्टोइका, मारेक पसियाक, यी झू, याकुन युआन, तियानान यांग, मार्गरेट आर। मैक्क्वार्टर, सुजीत दास, अजय के। यादव, सूजी पार्क, चेंग दाई, “ध्रुवीय भंवरों की सबटेराहर्ट्ज सामूहिक गतिकी”। हियोन जून ली, यंगजुन आहन, सैमुअल डी। मार्क्स, शुकाई यू, क्रिस्टेल कैडलेक, ताकाहिरो सातो, मथायस सी। हॉफमैन, मैथ्यू चोल, माइकल ई। कोजिना, सिलिस नेल्सन, डिलिंग झू, डोनाल्ड ए। वालो, हारून एम। लिंडेनबर्ग। पॉल जी। इवांस, लॉन्ग-किंग चेन, राममूर्ति रमेश, लेन डब्ल्यू। मार्टिन, वेंकटरमण गोपालन, जॉन डब्ल्यू। फ्रीलैंड, जिरका ह्लिंका और हैडन वेन, 14 अप्रैल 2021, प्रकृति
DOI: 10.1038 / s41586-021-03342-4

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