नैनोमैकेनिकल रेजोनेटर – क्वांटम कंप्यूटिंग को इन पायज़ोइलेक्ट्रिक डिवाइसों से कैसे लाभ हो सकता है

सेंसर का लघुकरण

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with 2 नैनोमीटर (नैनोमीटर) लिथोग्राफी अब उद्योग नेताओं द्वारा परीक्षण की जा रही है जैसे TSMC.

स्रोत: TSMC

यह बात यांत्रिक भागों के लिए भी सत्य है, जहाँ प्रतिक्रिया मुख्यतः विद्युत नहीं होती, जैसे अर्धचालकों में। एक मुख्य तत्व नैनो-स्केल यांत्रिक रेजोनेटर हैं। इन उपकरणों का बहुत छोटा आकार उन्हें एकल कणों को मापने में बहुत उपयोगी बनाता है।

अब तक, केवल सीमित संख्या में गैर-चालक सामग्री का उपयोग यांत्रिक रेजोनेटर बनाने के लिए किया गया था। यह अब स्वीडन के चैल्मर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और जर्मनी के यूनिवर्सिटी ऑफ मैग्डेबुर्ग के शोधकर्ताओं के कार्य के कारण बदल गया है।

शोधकर्ताओं के इस समूह ने एक नई सामग्री से यांत्रिक रेजोनेटर बनाया है, जिसमें दोनों उत्कृष्ट दोलन गुण हैं और यह पायज़ोइलेक्ट्रिक भी है। ये परिणाम Advanced Materials में प्रकाशित हुए, शीर्षक “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics¹” के अंतर्गत।

नैनोमैकेनिकल रेजोनेटर

रेजोनेटर ऐसे घटक होते हैं जैसे ट्यूनिंग फोर्क, जो विशिष्ट आवृत्तियों पर कंपन कर सकते हैं। ट्यूनिंग फोर्क के मामले में, यह अपनी दोलन आवृत्ति पर दोलन करता है, जिससे हमारे सुनने की सीमा के भीतर ध्वनि तरंग उत्पन्न होती है।

आज रेजोनेटर को माइक्रोमीटर और नैनोमीटर स्केल तक छोटा किया गया है। ये छोटे रेजोनेटर बड़े रेजोनेटर की तुलना में बहुत उच्च आवृत्तियों पर काम करते हैं, और अत्यधिक संवेदनशील होते हैं। यह उन्हें सूक्ष्म-स्तर माप के लिए बहुत अच्छे सेंसर बनाता है।

उदाहरण के लिए, ऐसे नैनोरेजोनेटर का उपयोग एकल प्रोटॉन के स्पिन या छोटे द्रव्यमानों के बीच गुरुत्वाकर्षण को मापने के लिए किया जा सकता है।

रेजोनेटरों को अधिक उपयोगी बनाना

अब तक, अधिकांश श्रेष्ठ नैनोमैकेनिकल रेजोनेटर टेंसेल-तनावित सिलिकॉन नाइट्राइड से बनाए जाते रहे हैं। यह सामग्री असाधारण यांत्रिक गुणों वाली है, जिससे एक बहुत अच्छा रेजोनेटर बनता है। समस्या यह है कि सिलिकॉन नाइट्राइड न तो चुंबकीय है, न ही पायज़ोइलेक्ट्रिक, और न ही विद्युत प्रवाह करता है।

यह समस्या यांत्रिक दोलन को विद्युत संकेत में बदलने या सीधे नियंत्रित करने में आती है। इसलिए कुल मिलाकर, ये सिलिकॉन नाइट्राइड रेजोनेटर केवल तब ही अन्य प्रणालियों के साथ इंटरैक्ट कर सकते हैं जब सिलिकॉन नाइट्राइड के ऊपर कोई अन्य सामग्री जोड़ी जाए।

समस्या यह है कि ऐसी अतिरिक्त सामग्री सीधे रेजोनेटर के प्रदर्शन को नुकसान पहुंचाती है।

इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने टेंसेल-तनावित एल्यूमीनियम नाइट्राइड से बना नैनोमैकेनिकल रेजोनेटर बनाया। यह सामग्री पायज़ोइलेक्ट्रिक है, लेकिन यह “मैकेनिकल क्वालिटी फैक्टर” (Qm) नामक विशेषता द्वारा मापे जाने वाले रेजोनेटर के रूप में भी उत्कृष्ट गुण प्रदर्शित करती है।

“एल्यूमीनियम नाइट्राइड रेजोनेटर ने 10 मिलियन से अधिक का क्वालिटी फैक्टर प्राप्त किया। यह सुझाव देता है कि टेंसेल-तनावित एल्यूमीनियम नाइट्राइड क्वांटम सेंसर या क्वांटम ट्रांसड्यूसर के लिए एक शक्तिशाली नई सामग्री प्लेटफ़ॉर्म हो सकता है।

Witlef Wieczorek – चैल्मर्स यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के माइक्रोटेक्नोलॉजी और नैनोसाइंस विभाग में भौतिकी के प्रोफेसर।”

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री वह प्रकार की सामग्री है जो स्वाभाविक रूप से यांत्रिक गति को विद्युत संकेतों में और इसके विपरीत बदलती है।

यह विद्युत चार्ज बलपूर्वक असममिति: द्वारा उत्पन्न होता है; पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री में, सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज एक-दूसरे से अलग हो जाते हैं, जबकि एक सममित पैटर्न में संरेखित रहते हैं। जब पदार्थ पर यांत्रिक तनाव लागू किया जाता है, तो यह सममिति खो जाती है, जिससे विद्युत चार्ज उत्पन्न होता है।

इसलिए पहले के रेजोनेटरों के विपरीत, एल्यूमीनियम नाइट्राइड रेजोनेटर को सीधे अन्य नैनोस्केल प्रणालियों के साथ इंटरफ़ेस किया जा सकता है। और इसे सेंसर में सीधे रीडआउट के लिए उपयोग किया जा सकता है।

यह कैसे बनाया गया

इस नए प्रकार के रेजोनेटर को विकसित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन सब्सट्रेट पर 295 नैनोमीटर मोटी अत्यधिक तनावित (टेंस) एल्यूमीनियम नाइट्राइड की पतली फिल्म बनाई। तनाव “लगभग 1GPa था, जो दो हाथी को एक नाखून पर संतुलित करने के बराबर है।”

स्रोत: Advanced Material

उन्होंने एक नया रेजोनेटर डिज़ाइन, जिसे ट्रायंगलिन कहा जाता है, उपयोग किया, जो एक केंद्रीय त्रिकोण-आकार के पैड से बने फ्रैक्टल जैसा दिखता है।

स्रोत: Advanced Material

ट्रायंगलिन विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है क्योंकि यह कमरे के तापमान पर एकल क्वांटम सुसंगत दोलन को बनाए रख सकता है। यह क्वांटम प्रौद्योगिकी में इसे उपयोग करना बहुत आसान बना देगा।

अगला कदम

एक प्रथम-प्रकार प्रोटोटाइप के रूप में, संभावना है कि यहाँ प्रस्तुत एल्यूमीनियम नाइट्राइड रेजोनेटर को आगे भी सुधारा जा सकता है।

पहला चरण इसे और भी उच्च क्वालिटी फैक्टर के साथ बनाना होगा, जिससे यह अधिक संवेदनशील और उपयोगी बन सके। अगला कदम प्रयोग करना और यह पता लगाना होगा कि डिजाइन को विश्वसनीय रूप से कैसे अनुकूलित किया जाए ताकि इसे क्वांटम सेंसरिंग अनुप्रयोगों के लिए पायज़ोइलेक्ट्रिसिटी का उपयोग करके इस्तेमाल किया जा सके।

अनुप्रयोग

सबसे स्पष्ट अनुप्रयोग क्वांटम कंप्यूटिंग में होगा। अधिकांश क्वांटम कंप्यूटर क्वांटम बिट्स (qubits) की विशेषताओं को मापकर काम करते हैं।

क्यूबिट दो क्वांटम गुणों: सुपरपोज़िशन और एंटैंगलमेंट के कारण एक साथ कई स्थितियों में मौजूद रह सकते हैं।

• सुपरपोज़िशन क्यूबिट को एक साथ 0 और 1 दोनों को दर्शाने की अनुमति देता है, जिससे क्लासिकल बिट्स की तुलना में प्रोसेस किए जा सकने वाले डेटा की मात्रा घातीय रूप से बढ़ जाती है।
• एंटैंगलमेंट क्यूबिट को इस तरह जोड़ता है कि एक क्यूबिट की स्थिति तुरंत दूसरे को प्रभावित कर सकती है, यहाँ तक कि बड़ी दूरी पर भी।

इन गुणों के कारण QPU कई समाधान एक साथ खोजकर क्लासिकल कंप्यूटरों की तुलना में बहुत तेज़ी से जटिल समस्याओं को हल कर सकते हैं।

हालाँकि, क्यूबिट अत्यंत नाज़ुक होते हैं, और उनकी विशेषताओं को मापना आसान कार्य नहीं है। एक कमरे के तापमान पर कार्य करने वाला पायज़ोइलेक्ट्रिक रेजोनेटर प्रदर्शन और लागत दोनों के मामले में एक गेम‑चेंजर हो सकता है।

यह एल्यूमीनियम नाइट्राइड रेजोनेटर को क्वांटम प्रोसेसिंग यूनिट्स (QPUs) के विकास में एक प्रमुख भाग बना सकता है, जो हमारे वर्तमान CPU को बदलने में सक्षम हैं, एक विषय जिसे हमने “Quantum Processing Units (QPUs): The Future of Computing” और “The Current State of Quantum Computing ” में विस्तृत रूप से चर्चा की थी।

अन्य अनुप्रयोग रेजोनेटरों की अत्यधिक सटीकता से उत्पन्न हो सकते हैं, जहाँ निचले स्तर के अनुप्रयोगों में कम शोर और लंबा कोहेरेंस समय आवश्यक होता है, जैसे दर्पण सस्पेंशन, क्वांटम कैविटी ऑप्टोमैकेनिकल डिवाइस, या नैनोमैकेनिकल सेंसर, जो सभी LED, फोटॉनिक्स कंप्यूटिंग आदि जैसे नैनोडिवाइसों के लिए उपयोगी हैं।

यह एक और उदाहरण है कि भविष्य की प्रौद्योगिकियों में पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री कितनी महत्वपूर्ण हो सकती हैं। आप इस विषय के बारे में हमारे कुछ लेखों से अधिक जान सकते हैं:

• पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री – सबसे सामान्य अज्ञात ऊर्जा स्रोत
• कार्बन नाइट्राइड ब्रेकथ्रू ने सामग्री विज्ञान में प्रमुख प्रगति के द्वार खोले
• पायज़ोइलेक्ट्रिक कंपोजिट्स में प्रगति काइनेटिक ऊर्जा को harness करने और उसकी व्याख्या करने की अनुमति देती है
• पायज़ोइलेक्ट्रिक पावर कनवर्टर्स के साथ प्रिंटेड सर्किट बोर्ड को छोटा करना

नैनोटेक्नोलॉजी में निवेश

नैनोटेक्नोलॉजी अर्धचालकों के निर्माण से परे एक बढ़ता हुआ क्षेत्र बन रहा है, जिसमें एयरोस्पेस, बायोटेक, ऊर्जा और रासायनिक उद्योगों के लिए अद्भुत सामग्री का वादा है।

आप कई ब्रोकरों के माध्यम से नैनोटेक कंपनियों में निवेश कर सकते हैं, और आप यहाँ, securities.io पर, USA, Canada, Australia, UK, और कई अन्य देशों में सर्वश्रेष्ठ ब्रोकरों की हमारी सिफ़ारिशें पा सकते हैं।

यदि आप विशिष्ट नैनोटेक कंपनियों को चुनने में रुचि नहीं रखते, तो आप नैनोटेक्नोलॉजी ETFs जैसे ProShares Nanotechnology ETF (TINY) या Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) में भी देख सकते हैं, जो क्वांटम कंप्यूटिंग और नैनोटेक स्टॉक्स पर लाभ उठाने के लिए अधिक विविध एक्सपोज़र प्रदान करेंगे।

या आप हमारी सूची “Top 10 Nanotechnology Stocks” और 5 Best Quantum Computing Companies देख सकते हैं।

रेजोनेटर कंपनी

जैसे-जैसे हमारे कंप्यूटर और इलेक्ट्रॉनिक्स अधिक जटिल होते जा रहे हैं, सटीक माप होना और भी महत्वपूर्ण हो जाता है, कुछ मामलों में यह जीवन या मृत्यु का प्रश्न बन जाता है।

यह SiTime (SITM ) का मुख्य फोकस है, एक कंपनी जो सिलिकॉन तकनीक का उपयोग करके सटीक समय माप पर केंद्रित है। यह घड़ियों में क्वार्ट्ज क्रिस्टल के उपयोग (एक 70 साल पुरानी तकनीक) के समान है, लेकिन इसके श्रेष्ठ प्रदर्शन:

• धक्के, कंपन, तापमान में परिवर्तन, जिटर और शोर से अत्यधिक प्रतिरोध।
• छोटा आकार और कम ऊर्जा आवश्यकता।
• प्रोग्रामेबल और उच्च प्रदर्शन।

स्रोत: SiTimes

SiTime वह कंपनी है जिसने “प्रिसीजन टाइमिंग” की अवधारणा बनाई, एक सेक्टर जो सालाना 30-35% बढ़ रहा है और जिसमें कंपनी का 90% बाजार हिस्सेदारी है।

एक “फैब्लेस” अर्धचालक कंपनी के रूप में, SiTime अपने आईपी विकसित करने पर ध्यान देती है, जबकि वास्तविक निर्माण उद्योग के नेताओं को सौंपती है, जो Nvidia (NVDA ) के GPU और AI चिप्स के समान व्यापार मॉडल है।

प्रिसीजन टाइमिंग के माध्यम से अधिक सटीक समय माप अब अनिवार्य बन रहा है, क्योंकि नई कंप्यूटिंग और टेलीकॉम तकनीकें बहुत तेज़ी से आगे बढ़ रही हैं:

• 5G कनेक्टिविटी 4G की तुलना में 10 गुना तेज़ है
• डेटा सेंटर भी कुछ साल पहले की तुलना में 10 गुना तेज़ चल रहे हैं, और बढ़ते AI अनुप्रयोगों के साथ तेज़ी से आगे बढ़ने के लिए तैयार हैं।
• ऑटोमोटिव और अन्य वाहन आज अधिक इलेक्ट्रॉनिक्स को शामिल कर रहे हैं, और रोबोटैक्सिस के आगमन से पहले (ऑटोनॉमी स्तर 2 से ऊपर सभी को प्रिसीजन टाइमिंग की आवश्यकता होती है)।
  • SiTime “FailSafe” तकनीक प्रदान कर रहा है जहाँ एकल डिवाइस रेजोनेटर, ऑसिलेटर, क्लॉकिंग, और स्वायत्त वाहनों में टाइमिंग के लिए उन्नत सुरक्षा तंत्र को एकीकृत करता है। बड़े पैमाने पर शिपमेंट केवल 2025 में शुरू होंगे।
• एयरोस्पेस सेक्टर तेज़ी से बढ़ रहा है, जहाँ SpaceX जैसी कंपनियां अधिक सामग्री लॉन्च करने और कम लेटेंसी स्पेस-आधारित इंटरनेट जैसी नई अनुप्रयोगों में अग्रणी हैं।
  • सैन्य अनुप्रयोग भी बढ़ रहे हैं, रडार से लेकर संचार और इलेक्ट्रॉनिक युद्ध तक।

2019 में कम राजस्व (मुख्यतः ऑसिलेटर से) वाले एक स्टार्टअप से लेकर 2020 में अपने पहले रेजोनेटर लॉन्च करने तक, SiTime ने बहुत तेज़ी से विकास किया, साथ ही राजस्व, सकल मार्जिन और ऑपरेटिंग मार्जिन को बढ़ाया।

स्रोत: SiTimes

यह SiTime के सर्विसेबल एड्रेसेबल मार्केट (SAM) के कुल वृद्धि के साथ आया, जो 2021 में $1 बिलियन से 2024 में $4 बिलियन तक बढ़ा, जो कुल मिलाकर बड़े $10 बिलियन “टाइमिंग मार्केट” का हिस्सा है।

स्रोत: SiTimes

SiTime ने अपनी स्थापना के बाद से कुल मिलाकर $500 मिलियन से अधिक R&D में निवेश किया है। माइक्रो-इलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (MEMS) उद्योग आमतौर पर एक ऐसी संरचना को पसंद करता है जहाँ एक कंपनी लगभग पूरी तरह से एक सेगमेंट पर हावी होती है, क्योंकि प्रवेश बाधाएँ उच्च होती हैं (R&D लागत, तकनीकी विशेषज्ञता, पेटेंट) और ग्राहक उद्योग के नेताओं के साथ बने रहना पसंद करते हैं।

यह SiTime को “टाइमिंग MEMS” का नेता बनाता है, अन्य कंपनियों जैसे Broadcom (AVGO ) रेडियो फ़्रीक्वेंसी के लिए या Bosch इनर्शियल सेंसर के लिए के साथ। (SiTime Bosch से एक स्पिन‑ऑफ़ था, जापानी कंपनी Megachips द्वारा खरीदे जाने और 2019 में NASDAQ पर सूचीबद्ध होने से पहले)।

AI डेटा सेंटर, 5G तैनाती, सैटेलाइट टेलीकॉम, और स्व-ड्राइविंग वाहनों जैसे तेज़ी से बढ़ते क्षेत्रों के साथ, SiTime स्वयं को बहुत तेज़ी से बढ़ने के लिए अच्छी तरह स्थित है, और यह चल रही कनेक्टिविटी और AI क्रांति का एक कम ज्ञात लेकिन महत्वपूर्ण कोना बन सकता है।

अध्ययन संदर्भ:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical crystalline AlN resonators with high quality factors for quantum optoelectromechanics. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}