मिनेसोटा-ट्विन सिटी विश्वविद्यालय की अनुसंधान टीम ने पहली बार एक अद्वितीय टोपोलॉजिकल सेमी-मेटालिक सामग्री फिल्म का संश्लेषण किया है जिसमें ऊर्जा खपत को नाटकीय रूप से कम करते हुए अधिक कंप्यूटिंग शक्ति और मेमोरी स्टोरेज उत्पन्न करने की क्षमता है। इसके अलावा, टीम ने सामग्री का सावधानीपूर्वक अध्ययन किया और इसके अद्वितीय गुणों के पीछे भौतिकी में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्राप्त की।
यह शोध हाल ही में नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में प्रकाशित हुआ था।
जैसा कि संयुक्त राज्य अमेरिका में हाल के चिप्स और विज्ञान अधिनियम से पता चलता है, सेमीकंडक्टर विनिर्माण को बढ़ाने और हर जगह इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को शक्ति देने वाली सामग्रियों को विकसित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अनुसंधान का समर्थन करने की आवश्यकता बढ़ रही है। जबकि पारंपरिक अर्धचालक आज अधिकांश कंप्यूटर चिप्स के पीछे की तकनीक है, वैज्ञानिक और इंजीनियर हमेशा नई सामग्रियों की तलाश में रहते हैं जो इलेक्ट्रॉनिक्स को बेहतर, छोटा और अधिक कुशल बनाने के लिए कम बिजली का उत्पादन कर सकें।
उन्नत कंप्यूटर चिप्स के इस नए वर्ग के लिए एक उम्मीदवार सामग्री क्वांटम सामग्री का एक वर्ग है जिसे टोपोलॉजिकल सेमीमेटल्स कहा जाता है। इन सामग्रियों में इलेक्ट्रॉन अलग-अलग तरीकों से व्यवहार करते हैं, जिससे सामग्रियों को अद्वितीय गुण मिलते हैं जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट इंसुलेटर और धातुओं में नहीं पाए जाते हैं। इसलिए, स्पिंट्रोनिक उपकरणों में उपयोग के लिए इन सामग्रियों की खोज की जा रही है। स्पिंट्रोनिक उपकरण पारंपरिक अर्धचालक उपकरणों का एक विकल्प हैं जो डेटा को संग्रहीत करने और जानकारी को संसाधित करने के लिए इलेक्ट्रिक चार्ज के बजाय इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग करते हैं।
नए अध्ययन में, मिनेसोटा विश्वविद्यालय की एक अंतःविषय अनुसंधान टीम ने ऐसी पतली फिल्म सामग्री को सफलतापूर्वक संश्लेषित किया और उच्च प्रदर्शन और कम ऊर्जा खपत के लिए इसकी क्षमता का प्रदर्शन किया।
"यह अध्ययन पहली बार दिखाता है कि चुंबकीय डोपिंग रणनीति का उपयोग करके एक कमजोर टोपोलॉजिकल इंसुलेटर से टोपोलॉजिकल सेमीमेटल में संक्रमण करना संभव है," पेपर के वरिष्ठ लेखक, मैककेनाइट विश्वविद्यालय के प्रतिष्ठित प्रोफेसर और मिनेसोटा विश्वविद्यालय में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग विभाग में रॉबर्ट हार्टमैन चेयर प्रोफेसर जियानपिंग वांग ने कहा। "हम ऊर्जा की खपत को कम करते हुए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के जीवन को बढ़ाने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं, और हम इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए गैर-पारंपरिक, अपरंपरागत तरीकों का उपयोग करने का प्रयास कर रहे हैं।"
शोधकर्ता वर्षों से टोपोलॉजिकल सामग्रियों का अध्ययन कर रहे हैं, लेकिन मिनेसोटा विश्वविद्यालय की टीम इस सेमीमेटल को पतली फिल्म के रूप में बनाने के लिए पेटेंट, उद्योग-संगत स्पटरिंग प्रक्रिया का उपयोग करने वाली पहली टीम है। वांग ने कहा कि क्योंकि उनकी प्रक्रिया उद्योग के अनुकूल है, इसलिए प्रौद्योगिकी को अधिक आसानी से अपनाया जा सकता है और वास्तविक दुनिया के उपकरण बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है।
"हम अपने जीवन में हर दिन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का उपयोग करते हैं, सेल फोन से लेकर डिशवॉशर से लेकर माइक्रोवेव ओवन तक। वे सभी चिप्स का उपयोग करते हैं। हर चीज ऊर्जा की खपत करती है," पेपर के वरिष्ठ लेखक और मिनेसोटा विश्वविद्यालय में केमिकल इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान के रे डी. और मैरी टी. जॉनसन प्रोफेसर आंद्रे मखोयान ने कहा। "सवाल यह है कि हम ऊर्जा की खपत को कैसे कम करें? यह शोध उस दिशा में एक कदम है। हम समान या उससे भी बेहतर गुणों वाली सामग्रियों की एक नई श्रेणी विकसित कर रहे हैं, लेकिन कम ऊर्जा खपत के साथ।"
चूँकि शोधकर्ताओं ने इतनी उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री बनाई, वे इसके गुणों का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करने में भी सक्षम थे और यह भी कि इसे क्या अद्वितीय बनाता है।
पेपर के वरिष्ठ लेखक और मिनेसोटा विश्वविद्यालय में इलेक्ट्रिकल और कंप्यूटर इंजीनियरिंग विभाग में पॉल पामबर्ग एसोसिएट प्रोफेसर टोनी लो ने कहा, "भौतिकी के दृष्टिकोण से, इस काम का एक बड़ा योगदान यह है कि हम इस सामग्री के कुछ सबसे मौलिक गुणों का अध्ययन करने में सक्षम थे।" "आम तौर पर, जब आप चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं, तो सामग्री का अनुदैर्ध्य प्रतिरोध बढ़ जाता है, लेकिन इस विशेष टोपोलॉजिकल सामग्री में, हमने भविष्यवाणी की है कि अनुदैर्ध्य प्रतिरोध कम हो जाएगा। हम मापा परिवहन डेटा के साथ अपने सिद्धांत की पुष्टि करने और पुष्टि करने में सक्षम थे कि नकारात्मक प्रतिरोध मौजूद है।"
एक दशक से अधिक समय से, लो, मखोयान और वांग अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और प्रणालियों के लिए टोपोलॉजिकल सामग्रियों पर सहयोग कर रहे हैं - अनुसंधान जो सिद्धांत और गणना, सामग्री विकास और लक्षण वर्णन, और डिवाइस निर्माण में उनकी संबंधित विशेषज्ञता के संयोजन के बिना संभव नहीं होता। वांग ने कहा, "इस तरह के एक महत्वपूर्ण और चुनौतीपूर्ण विषय का अध्ययन करने के लिए न केवल प्रेरक दृष्टि की आवश्यकता होती है, बल्कि महान धैर्य और चार विषयों में समर्पित टीम के सदस्यों के एक समूह की भी आवश्यकता होती है, जो इस तकनीक को प्रयोगशाला से उद्योग में स्थानांतरित करना संभव बना देगा।"