क्वांटम तकनीक बड़ी संभावनाएं रखती है, लेकिन यह जटिलता से भी भरी है। उम्मीद है कि क्वांटम प्रौद्योगिकी अगले कुछ दशकों में तकनीकी प्रगति की एक श्रृंखला लाएगी, जिससे हमें अधिक कॉम्पैक्ट और अधिक सटीक सेंसर, अधिक शक्तिशाली और अधिक सुरक्षित संचार नेटवर्क और बड़ी क्षमता वाले कंप्यूटर मिलेंगे। ये प्रगति वर्तमान कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों की क्षमताओं से अधिक होगी, जिससे नई दवाओं और सामग्रियों को तेजी से विकसित करने, वित्तीय बाजारों को नियंत्रित करने और मौसम के पूर्वानुमान को बढ़ाने में मदद मिलेगी।
इन लाभों को महसूस करने के लिए, हमें तथाकथित क्वांटम सामग्रियों की आवश्यकता है, जो महत्वपूर्ण क्वांटम भौतिक प्रभाव प्रदर्शित करते हैं। ग्राफीन एक ऐसा पदार्थ है। कार्बन के इस द्वि-आयामी संरचनात्मक रूप में असामान्य भौतिक गुण हैं, जैसे अति-उच्च तन्यता ताकत, थर्मल और विद्युत चालकता, और कुछ क्वांटम प्रभाव। इस पहले से ही दो-आयामी सामग्री को और सीमित करना, जैसे कि इसे रिबन जैसा आकार देना, नियंत्रणीय क्वांटम प्रभावों की एक श्रृंखला उत्पन्न करता है।
यह वही है जो मिकेल पेरिन की टीम अपने काम में उपयोग करती है: कई वर्षों से, मिशेल कैलामे के नेतृत्व में एम्पा की नैनोइंटरफेशियल ट्रांसपोर्ट की प्रयोगशाला के वैज्ञानिक ग्राफीन नैनोरिबन्स पर शोध कर रहे हैं। पेरिन बताते हैं, "ग्राफीन नैनोरिबन्स ग्राफीन से भी अधिक आकर्षक हैं।" "ग्राफीन नैनोरिबन्स की लंबाई और चौड़ाई, उनके किनारों के आकार को बदलकर और अन्य परमाणुओं को जोड़कर, आप उन्हें विभिन्न प्रकार के विद्युत, चुंबकीय और ऑप्टिकल गुण दे सकते हैं।"
अत्यंत सटीक - एक परमाणु तक
आशाजनक नैनोरिबन्स का अध्ययन करना कोई आसान काम नहीं है। नैनोरिबन जितना संकीर्ण होगा, उसके क्वांटम गुण उतने ही अधिक स्पष्ट होंगे, लेकिन एक ही समय में व्यक्तिगत नैनोरिबन प्राप्त करना भी अधिक कठिन होता है। इस क्वांटम सामग्री के अद्वितीय गुणों और संभावित अनुप्रयोगों को समझने और उन्हें सामूहिक प्रभावों से अलग करने के लिए यह आवश्यक है।
हाल ही में नेचर इलेक्ट्रॉनिक्स जर्नल में प्रकाशित एक नए अध्ययन में, पेरिन और एम्पा के शोधकर्ता जियान झांग ने एक अंतरराष्ट्रीय टीम के साथ मिलकर पहली बार व्यक्तिगत लंबे, परमाणु रूप से सटीक ग्राफीन नैनोरिबन तक सफलतापूर्वक पहुंच बनाई। झांग जियान ने कहा: "ग्राफीन नैनोरिबन की चौड़ाई, जो केवल 9 कार्बन परमाणुओं की चौड़ाई है, केवल 1 नैनोमीटर है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि केवल एक नैनोरिबन से संपर्क किया जाता है, शोधकर्ताओं ने समान आकार के इलेक्ट्रोड का उपयोग किया: उनके द्वारा उपयोग किए गए कार्बन नैनोट्यूब भी केवल 1 नैनोमीटर व्यास के थे।"
ऐसे विस्तृत प्रयोग के लिए, परिशुद्धता महत्वपूर्ण है। पहली स्रोत सामग्री है. शोधकर्ताओं ने रोमन फैसेल के नेतृत्व में एम्पा की नैनोटेक@सर्फेस प्रयोगशाला के साथ दीर्घकालिक और करीबी सहयोग के माध्यम से ग्राफीन नैनोरिबन्स प्राप्त किए। पेरिन बताते हैं, "रोमन फैसेल और उनकी टीम ने लंबे समय तक ग्राफीन नैनोरिबन्स पर काम किया है और एक ही अग्रदूत अणु से परमाणु परिशुद्धता के साथ कई अलग-अलग प्रकार के ग्राफीन नैनोरिबन्स को संश्लेषित कर सकते हैं।" पूर्ववर्ती अणु मेन्ज़ में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर पॉलिमर रिसर्च से आए थे।
जैसा कि तकनीकी प्रगति को आगे बढ़ाने के लिए अक्सर आवश्यक होता है, अंतःविषयकता महत्वपूर्ण है, और विभिन्न अंतरराष्ट्रीय अनुसंधान समूह शामिल हैं, प्रत्येक अपनी विशेषज्ञता लेकर आते हैं: कार्बन नैनोट्यूब पेकिंग विश्वविद्यालय में एक शोध समूह द्वारा विकसित किए गए थे, और परिणामों की व्याख्या करने के लिए, एम्पा शोधकर्ताओं ने वारविक विश्वविद्यालय में कम्प्यूटेशनल वैज्ञानिकों के साथ सहयोग किया।
नैनोट्यूब के साथ व्यक्तिगत कार्बन स्ट्रिप्स से संपर्क करना शोधकर्ताओं के लिए एक बड़ी चुनौती है। झांग ने बताया, "कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन नैनोरिबन क्रमशः अलग-अलग सब्सट्रेट्स पर उगाए जाते हैं।" "सबसे पहले, नैनोट्यूब को डिवाइस सब्सट्रेट में स्थानांतरित करने और धातु इलेक्ट्रोड के साथ संपर्क करने की आवश्यकता होती है। फिर, हमने उन्हें दो इलेक्ट्रोड में अलग करने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी का उपयोग करके काट दिया। अंत में, हमने नैनोट्यूब को दो इलेक्ट्रोड में काट दिया।" टेपों को उसी सब्सट्रेट में स्थानांतरित किया जाता है। परिशुद्धता महत्वपूर्ण है: सब्सट्रेट का थोड़ा सा घुमाव भी सफल संपर्क की संभावना को काफी कम कर देता है। लुश्लिकॉन में आईबीएम रिसर्च सेंटर बिनिग और रोचर में उच्च गुणवत्ता वाले बुनियादी ढांचे तक पहुंच इस तकनीक के परीक्षण और कार्यान्वयन के लिए महत्वपूर्ण है।"
कंप्यूटर से लेकर ऊर्जा परिवर्तक तक
वैज्ञानिकों ने चार्ज ट्रांसफर माप के माध्यम से प्रयोग की सफलता की पुष्टि की। चूंकि क्वांटम प्रभाव आमतौर पर कम तापमान पर अधिक स्पष्ट होते हैं, इसलिए हमने पूर्ण शून्य के करीब उच्च वैक्यूम वातावरण में माप किया। लेकिन वह तुरंत ग्राफीन नैनोरिबन्स की एक और विशेष रूप से आशाजनक संपत्ति जोड़ते हैं: "इन नैनोरिबन्स के बेहद छोटे आकार के कारण, हम उम्मीद करते हैं कि उनके क्वांटम प्रभाव बहुत मजबूत होंगे और कमरे के तापमान पर भी देखने योग्य होंगे।" शोधकर्ता का कहना है, यह हमें ऐसे चिप्स को डिजाइन और संचालित करने की अनुमति देगा जो जटिल शीतलन बुनियादी ढांचे की आवश्यकता के बिना सक्रिय रूप से क्वांटम प्रभावों का फायदा उठाते हैं।
परियोजना में शामिल वारविक विश्वविद्यालय के प्रोफेसर हातेफ सादेघी ने कहा: "यह परियोजना एक एकल नैनोरिबोन डिवाइस की प्राप्ति को सक्षम बनाती है, जो न केवल मौलिक क्वांटम प्रभावों का अध्ययन करने की अनुमति देती है, जैसे कि इलेक्ट्रॉन और फोनन नैनोस्केल पर कैसे व्यवहार करते हैं, बल्कि क्वांटम स्विचिंग, क्वांटम सेंसिंग और क्वांटम ऊर्जा रूपांतरण में अनुप्रयोगों के लिए भी इस प्रभाव का फायदा उठा सकते हैं।"
ग्राफीन नैनोरिबन्स अभी तक व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए तैयार नहीं हैं, और अभी भी बहुत शोध किया जाना बाकी है। अनुवर्ती शोध में, झांग और पेरिन का लक्ष्य एक ही नैनोस्ट्रिप पर विभिन्न क्वांटम राज्यों में हेरफेर करना है। इसके अलावा, वे श्रृंखला में जुड़े दो नैनोरिबन्स पर आधारित उपकरण बनाने की योजना बना रहे हैं, जो तथाकथित डबल क्वांटम डॉट्स बनाते हैं। ऐसे सर्किट क्वांटम कंप्यूटर में सूचना की सबसे छोटी इकाई, क्वैब के रूप में काम कर सकते हैं। इसके अलावा, पेरिन को हाल ही में यूरोपीय रिसर्च काउंसिल (ईआरसी) से शुरुआती अनुदान और स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (एसएनएसएफ) से स्केलेंज़ा प्रोफेशनल फ़ेलोशिप प्राप्त हुई, जहां उन्होंने नैनोरिबन्स को कुशल ऊर्जा कन्वर्टर्स के रूप में उपयोग करने की योजना बनाई है। ईटीएच ज्यूरिख में अपने उद्घाटन व्याख्यान में, उन्होंने एक ऐसी दुनिया का चित्रण किया जिसमें हम बिजली उत्पन्न करने के लिए तापमान अंतर का उपयोग कर सकते हैं, जबकि लगभग कोई ताप ऊर्जा नहीं खोते - एक वास्तविक क्वांटम छलांग।
अंतरराष्ट्रीय सहयोग
कई शोध समूहों ने परियोजना में महत्वपूर्ण योगदान दिया। ग्राफीन नैनोरिबन्स को मेनज़ में मैक्स-प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर पॉलिमर रिसर्च में क्लाउस मुलेन के समूह द्वारा प्रदान किए गए पूर्ववर्ती अणुओं से, रोमन फैसेल के नेतृत्व में एम्पा नैनोटेक्नोलॉजी@सरफेस लेबोरेटरी द्वारा विकसित किया गया था।
इन नैनोरिबन्स को मिशेल कैलामे के नेतृत्व में एम्पा की नैनोस्केल इंटरफेशियल ट्रांसपोर्ट की प्रयोगशाला के सदस्यों द्वारा नैनोफैब्रिकेशन उपकरणों में एकीकृत किया गया था, जिसमें मिकेल पेरिन का अनुसंधान समूह भी शामिल था। इस विशेष अध्ययन के लिए आवश्यक सटीक रूप से व्यवस्थित, उच्च गुणवत्ता वाले कार्बन नैनोट्यूब पेकिंग विश्वविद्यालय में झांग जिन के अनुसंधान समूह द्वारा प्रदान किए गए थे। अंत में, निष्कर्षों की व्याख्या करने के लिए, एम्पा शोधकर्ताओं ने हतेफ सादेघी के मार्गदर्शन में वारविक विश्वविद्यालय में कम्प्यूटेशनल वैज्ञानिकों के साथ सहयोग किया।