ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലെ 140 വർഷം പഴക്കമുള്ള രഹസ്യം അനാവരണം ചെയ്യുന്നു

ഐബിഎം റിസർച്ചിൽ നിന്നുള്ള രചയിതാക്കളുടെ ഒരു ലേഖനത്തിന്റെ വിവർത്തനം.

ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലെ ഒരു സുപ്രധാന മുന്നേറ്റം അർദ്ധചാലകങ്ങളുടെ ഭൗതിക സവിശേഷതകൾ കൂടുതൽ വിശദമായി പഠിക്കാൻ ഞങ്ങളെ അനുവദിക്കും. അടുത്ത തലമുറ അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ വികസനം ത്വരിതപ്പെടുത്താൻ ഇത് സഹായിച്ചേക്കാം.

രചയിതാക്കൾ:
ഓഖി ഗുണവൻ - സ്റ്റാഫ് അംഗം, IBM റിസർച്ച്
ഡഗ് ബിഷപ്പ് - സ്വഭാവ എഞ്ചിനീയർ, IBM റിസർച്ച്

കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ, സ്‌മാർട്ട്‌ഫോണുകൾ, മറ്റ് മൊബൈൽ ഉപകരണങ്ങൾ എന്നിങ്ങനെ നമ്മുടെ ആധുനിക ജീവിതത്തിന് പ്രയോജനപ്പെടുന്ന വൈവിധ്യമാർന്ന ഉപകരണങ്ങൾ പ്രദാനം ചെയ്യുന്ന ഇന്നത്തെ ഡിജിറ്റൽ ഇലക്ട്രോണിക് യുഗത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന നിർമാണ ബ്ലോക്കുകളാണ് അർദ്ധചാലകങ്ങൾ. അർദ്ധചാലക പ്രവർത്തനത്തിലെയും പ്രകടനത്തിലെയും മെച്ചപ്പെടുത്തലുകൾ കമ്പ്യൂട്ടിംഗ്, സെൻസിംഗ്, ഊർജ്ജ പരിവർത്തനം എന്നിവയിൽ അടുത്ത തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക ആപ്ലിക്കേഷനുകളെ പ്രാപ്തമാക്കുന്നു. അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങൾക്കുള്ളിലെ ഇലക്ട്രോണിക് ചാർജുകൾ പൂർണ്ണമായി മനസ്സിലാക്കാനുള്ള നമ്മുടെ കഴിവിലെ പരിമിതികൾ മറികടക്കാൻ ഗവേഷകർ ഏറെ നാളായി പാടുപെടുകയാണ്.

ജേണലിലെ ഒരു പുതിയ പഠനത്തിൽ പ്രകൃതി ഐബിഎം റിസർച്ചിന്റെ നേതൃത്വത്തിലുള്ള ഒരു ഗവേഷണ സഹകരണം, ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലെ 140 വർഷം പഴക്കമുള്ള ഒരു നിഗൂഢത പരിഹരിക്കുന്നതിൽ ആവേശകരമായ ഒരു മുന്നേറ്റം വിവരിക്കുന്നു, അർദ്ധചാലകങ്ങളുടെ ഭൗതിക സവിശേഷതകൾ കൂടുതൽ വിശദമായി പഠിക്കാനും പുതിയതും മെച്ചപ്പെട്ടതുമായ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ വികസനം പ്രാപ്തമാക്കാൻ ഞങ്ങളെ അനുവദിക്കുന്ന ഒന്ന്.

അർദ്ധചാലകങ്ങളുടെ ഭൗതികശാസ്ത്രം യഥാർത്ഥത്തിൽ മനസ്സിലാക്കാൻ, മെറ്റീരിയലുകൾക്കുള്ളിലെ ചാർജ് കാരിയറുകളുടെ അടിസ്ഥാന ഗുണങ്ങൾ, അവ നെഗറ്റീവ് അല്ലെങ്കിൽ പോസിറ്റീവ് കണങ്ങളാണെങ്കിലും, പ്രയോഗിച്ച വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിലെ അവയുടെ വേഗത, മെറ്റീരിയലിനുള്ളിൽ അവ എത്രമാത്രം സാന്ദ്രമായി പാക്ക് ചെയ്തിരിക്കുന്നു എന്നിവ മനസ്സിലാക്കണം. ഒരു കാന്തികക്ഷേത്രം ഒരു കണ്ടക്ടറിനുള്ളിലെ ഇലക്ട്രോൺ ചാർജുകളുടെ ചലനത്തെ വ്യതിചലിപ്പിക്കുമെന്നും ചാർജിന്റെ ദിശാ പ്രവാഹത്തിന് ലംബമായ പൊട്ടൻഷ്യൽ വ്യത്യാസമായി വ്യതിചലനത്തിന്റെ അളവ് കണക്കാക്കാമെന്നും 1879-ൽ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ എഡ്വിൻ ഹാൾ കണ്ടെത്തി. ചിത്രം 1a-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ കണികകൾ. ഹാൾ വോൾട്ടേജ് എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഈ വോൾട്ടേജ്, അർദ്ധചാലകത്തിലെ ചാർജ് കാരിയറുകളെ കുറിച്ചുള്ള സുപ്രധാന വിവരങ്ങൾ വെളിപ്പെടുത്തുന്നു, അവ നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോണുകളോ പോസിറ്റീവ് ക്വാസിപാർട്ടിക്കിളുകളോ "ദ്വാരങ്ങൾ" എന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്നവയാണോ, ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിൽ അവ എത്ര വേഗത്തിൽ നീങ്ങുന്നു, അല്ലെങ്കിൽ അവയുടെ "മൊബിലിറ്റി" (µ ), അർദ്ധചാലകത്തിനുള്ളിൽ അവയുടെ സാന്ദ്രത (n).

140 വർഷം പഴക്കമുള്ള നിഗൂഢത

ഹാളിന്റെ കണ്ടുപിടുത്തത്തിന് പതിറ്റാണ്ടുകൾക്ക് ശേഷം, പ്രകാശം ഉപയോഗിച്ച് ഹാൾ ഇഫക്റ്റ് അളക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് ഗവേഷകർ കണ്ടെത്തി - ഫോട്ടോ-ഹാൾ എന്ന് വിളിക്കുന്ന പരീക്ഷണങ്ങൾ, ചിത്രം 1 ബി കാണുക. അത്തരം പരീക്ഷണങ്ങളിൽ, പ്രകാശ പ്രകാശം അർദ്ധചാലകങ്ങളിൽ ഒന്നിലധികം കാരിയറുകൾ അല്ലെങ്കിൽ ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നു. നിർഭാഗ്യവശാൽ, അടിസ്ഥാന ഹാൾ ഇഫക്റ്റിനെക്കുറിച്ചുള്ള ഞങ്ങളുടെ ഗ്രാഹ്യം ഭൂരിപക്ഷം (അല്ലെങ്കിൽ ഭൂരിപക്ഷം) ചാർജ് കാരിയറുകൾക്ക് മാത്രമേ ഉൾക്കാഴ്ച നൽകിയിട്ടുള്ളൂ. ഗവേഷകർക്ക് ഒരേസമയം രണ്ട് മീഡിയകളിൽ നിന്നും (പ്രധാനവും അല്ലാത്തതും) പാരാമീറ്ററുകൾ വേർതിരിച്ചെടുക്കാൻ കഴിഞ്ഞില്ല. സോളാർ പാനലുകൾ, മറ്റ് ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ എന്നിവ പോലുള്ള പ്രകാശവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട നിരവധി ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്ക് അത്തരം വിവരങ്ങൾ പ്രധാനമാണ്.

ഐബിഎം റിസർച്ച് മാഗസിൻ പഠനം പ്രകൃതി ഹാൾ ഇഫക്റ്റിന്റെ ദീർഘകാല രഹസ്യങ്ങളിലൊന്ന് വെളിപ്പെടുത്തുന്നു. കൊറിയ അഡ്വാൻസ്ഡ് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് സയൻസ് ആൻഡ് ടെക്നോളജി (KAIST), കൊറിയ റിസർച്ച് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് കെമിക്കൽ ടെക്നോളജി (KRICT), ഡ്യൂക്ക് യൂണിവേഴ്സിറ്റി, IBM എന്നിവിടങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള ഗവേഷകർ അടിസ്ഥാനപരവും അല്ലാത്തതുമായ വിവരങ്ങൾ ഒരേസമയം വേർതിരിച്ചെടുക്കാൻ ഞങ്ങളെ അനുവദിക്കുന്ന ഒരു പുതിയ ഫോർമുലയും സാങ്കേതികതയും കണ്ടെത്തി. വാഹകർ, അവയുടെ ഏകാഗ്രതയും ചലനാത്മകതയും പോലെ, കാരിയറിന്റെ ആയുസ്സ്, വ്യാപന ദൈർഘ്യം, പുനഃസംയോജന പ്രക്രിയ എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള കൂടുതൽ വിവരങ്ങൾ നേടുക.

കൂടുതൽ വ്യക്തമായി പറഞ്ഞാൽ, ഒരു ഫോട്ടോ-ഹാൾ പരീക്ഷണത്തിൽ, രണ്ട് വാഹകരും ചാലകതയിലും (σ) ഹാൾ കോഫിഫിഷ്യന്റിലും (H, ഹാൾ വോൾട്ടേജിന്റെ കാന്തിക മണ്ഡലത്തിന്റെ അനുപാതത്തിന് ആനുപാതികമായി) മാറ്റങ്ങൾ വരുത്തുന്നു. പ്രകാശ തീവ്രതയുടെ ഒരു പ്രവർത്തനമെന്ന നിലയിൽ ചാലകതയും ഹാൾ കോഫിഫിഷ്യന്റും അളക്കുന്നതിൽ നിന്നാണ് പ്രധാന ഉൾക്കാഴ്ചകൾ ലഭിക്കുന്നത്. ചാലകത-ഹാൾ കോഫിഫിഷ്യന്റ് കർവ് (σ-H) രൂപത്തിൽ മറഞ്ഞിരിക്കുന്നത് അടിസ്ഥാനപരമായി പുതിയ വിവരങ്ങൾ കാണിക്കുന്നു: രണ്ട് വാഹകരുടെയും മൊബിലിറ്റിയിലെ വ്യത്യാസം. ലേഖനത്തിൽ ചർച്ച ചെയ്തതുപോലെ, ഈ ബന്ധം മനോഹരമായി പ്രകടിപ്പിക്കാം:

$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$

ഇരുട്ടിലെ ഒരു പരമ്പരാഗത ഹാൾ അളവെടുപ്പിൽ നിന്ന് അറിയപ്പെടുന്ന ഭൂരിപക്ഷ കാരിയർ സാന്ദ്രതയിൽ നിന്ന് ആരംഭിച്ച്, ലൈറ്റ് തീവ്രതയുടെ ഒരു ഫംഗ്‌ഷൻ എന്ന നിലയിൽ ഭൂരിപക്ഷത്തിനും ന്യൂനപക്ഷത്തിനും കാരിയർ മൊബിലിറ്റിയും സാന്ദ്രതയും വെളിപ്പെടുത്താനാകും. ടീം പുതിയ മെഷർമെന്റ് രീതിക്ക് പേരിട്ടു: കാരിയർ-റിസോൾവ്ഡ് ഫോട്ടോ ഹാൾ (CRPH). പ്രകാശ പ്രകാശത്തിന്റെ അറിയപ്പെടുന്ന തീവ്രത ഉപയോഗിച്ച്, കാരിയറിന്റെ ആയുസ്സ് സമാനമായ രീതിയിൽ സ്ഥാപിക്കാൻ കഴിയും. ഹാൾ ഇഫക്റ്റ് കണ്ടെത്തിയതിന് ശേഷം ഏകദേശം ഒന്നര നൂറ്റാണ്ടായി ഈ ബന്ധവും അതിന്റെ പരിഹാരങ്ങളും മറഞ്ഞിരിക്കുന്നു.

ഈ സൈദ്ധാന്തിക ധാരണയിലെ പുരോഗതിക്ക് പുറമെ, ഈ പുതിയ രീതി പ്രാപ്തമാക്കുന്നതിന് പരീക്ഷണ രീതികളിലെ പുരോഗതിയും നിർണായകമാണ്. ഈ രീതിക്ക് ഹാൾ സിഗ്നലിന്റെ ശുദ്ധമായ അളവ് ആവശ്യമാണ്, ഹാൾ സിഗ്നൽ ദുർബലമായ (ഉദാഹരണത്തിന്, ചലനശേഷി കുറവായതിനാൽ) അല്ലെങ്കിൽ അധിക അനാവശ്യ സിഗ്നലുകൾ ഉള്ളപ്പോൾ, ശക്തമായ ലൈറ്റ് റേഡിയേഷൻ പോലെയുള്ള മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് ഇത് ബുദ്ധിമുട്ടാണ്. ഇത് ചെയ്യുന്നതിന്, ഒരു ആന്ദോളന കാന്തികക്ഷേത്രം ഉപയോഗിച്ച് ഒരു ഹാൾ അളവ് നടത്തേണ്ടത് ആവശ്യമാണ്. റേഡിയോ കേൾക്കുന്നതുപോലെ, നിങ്ങൾ ആവശ്യമുള്ള സ്റ്റേഷന്റെ ആവൃത്തി തിരഞ്ഞെടുക്കേണ്ടതുണ്ട്, ശബ്ദമായി പ്രവർത്തിക്കുന്ന മറ്റെല്ലാ ആവൃത്തികളും നിരസിച്ചു. CRPH രീതി ഒരു പടി കൂടി മുന്നോട്ട് പോയി, സിൻക്രണസ് സെൻസിംഗ് എന്ന രീതി ഉപയോഗിച്ച് ആവശ്യമുള്ള ആവൃത്തി മാത്രമല്ല, ആന്ദോളനം ചെയ്യുന്ന കാന്തികക്ഷേത്രത്തിന്റെ ഘട്ടവും തിരഞ്ഞെടുക്കുന്നു. ഓസിലേറ്റിംഗ് ഹാൾ മെഷർമെന്റ് എന്ന ഈ ആശയം വളരെക്കാലമായി അറിയപ്പെടുന്നു, എന്നാൽ വൈദ്യുതകാന്തിക കോയിലുകളുടെ ഒരു സിസ്റ്റം ഉപയോഗിച്ച് ഒരു ആന്ദോളന കാന്തികക്ഷേത്രം സൃഷ്ടിക്കുന്നതിനുള്ള പരമ്പരാഗത രീതി ഫലപ്രദമല്ല.

മുമ്പത്തെ കണ്ടെത്തൽ

ശാസ്ത്രത്തിൽ പലപ്പോഴും സംഭവിക്കുന്നത് പോലെ, ഒരു മേഖലയിലെ പുരോഗതി മറ്റൊരു മേഖലയിലെ കണ്ടെത്തലുകളാൽ നയിക്കപ്പെടുന്നു. 2015-ൽ, IBM റിസർച്ച്, ചിത്രം 2a-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, നിർണ്ണായകമായ നീളം കവിയുമ്പോൾ, തിരശ്ചീനമായ ദ്വിധ്രുവങ്ങളുടെ രണ്ട് വരികൾക്കിടയിൽ സംഭവിക്കുന്ന "ഒട്ടക ഹംപ്" പ്രഭാവം എന്ന പുതിയ കാന്തിക മണ്ഡലം ബന്ധന ഫലവുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ മുമ്പ് അറിയപ്പെടാത്ത ഒരു പ്രതിഭാസം റിപ്പോർട്ട് ചെയ്തു. ചിത്രം 2b-ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ പാരലൽ ഡിപോള് ലൈൻ ട്രാപ്പ് (PDL ട്രാപ്പ്) എന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്ന ഒരു പുതിയ തരം പ്രകൃതിദത്ത കാന്തിക ട്രാപ്പ് പ്രവർത്തനക്ഷമമാക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന സവിശേഷതയാണ് പ്രഭാവം. ടിൽറ്റ്മീറ്റർ, സീസ്മോമീറ്റർ (ഭൂകമ്പ സെൻസർ) പോലുള്ള വിവിധ സെൻസിംഗ് ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി മാഗ്നറ്റിക് പിഡിഎൽ ട്രാപ്പ് ഒരു പുതിയ പ്ലാറ്റ്ഫോമായി ഉപയോഗിക്കാം. അത്തരം പുതിയ സെൻസർ സിസ്റ്റങ്ങൾ, വലിയ ഡാറ്റാ സാങ്കേതികവിദ്യകൾക്കൊപ്പം, നിരവധി പുതിയ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ തുറക്കാൻ കഴിയും, കൂടാതെ ഐബിഎം റിസർച്ച് ടീം ഐബിഎം ഫിസിക്കൽ അനലിറ്റിക്സ് ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് റിപ്പോസിറ്ററി സർവീസ് (PAIRS) എന്ന പേരിൽ ഒരു വലിയ ഡാറ്റാ അനലിറ്റിക്സ് പ്ലാറ്റ്ഫോം വികസിപ്പിക്കുകയും പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു. കൂടാതെ ഇന്റർനെറ്റ് ഓഫ് തിംഗ്സ് ഡാറ്റയും (IoT).

അതിശയകരമെന്നു പറയട്ടെ, അതേ PDL ഘടകത്തിന് മറ്റൊരു സവിശേഷമായ ആപ്ലിക്കേഷനുണ്ട്. തിരിക്കുമ്പോൾ, കാന്തികക്ഷേത്രത്തിന്റെ ഏകദിശയിലുള്ളതും ശുദ്ധവുമായ ഹാർമോണിക് ആന്ദോളനം ലഭിക്കുന്നതിന് അനുയോജ്യമായ ഫോട്ടോ-ഹാൾ പരീക്ഷണ സംവിധാനമായി ഇത് പ്രവർത്തിക്കുന്നു (ചിത്രം 2c). കൂടുതൽ പ്രധാനമായി, സാമ്പിളിന്റെ വിശാലമായ പ്രദേശം പ്രകാശിപ്പിക്കുന്നതിന് സിസ്റ്റം മതിയായ ഇടം നൽകുന്നു, ഇത് ഫോട്ടോ-ഹാൾ പരീക്ഷണങ്ങളിൽ നിർണായകമാണ്.

ഇംപാക്റ്റ്

ഞങ്ങൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്ത പുതിയ ഫോട്ടോ-ഹാൾ രീതി അർദ്ധചാലകങ്ങളിൽ നിന്ന് അതിശയകരമായ അളവിലുള്ള വിവരങ്ങൾ വേർതിരിച്ചെടുക്കാൻ ഞങ്ങളെ അനുവദിക്കുന്നു. ക്ലാസിക്കൽ ഹാൾ അളവെടുപ്പിൽ ലഭിച്ച മൂന്ന് പാരാമീറ്ററുകളിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി, ഈ പുതിയ രീതി പരീക്ഷിച്ച ഓരോ പ്രകാശ തീവ്രതയിലും ഏഴ് പാരാമീറ്ററുകൾ വരെ നൽകുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും ദ്വാരങ്ങളുടെയും ചലനാത്മകത ഇതിൽ ഉൾപ്പെടുന്നു; പ്രകാശത്തിന്റെ സ്വാധീനത്തിൽ അവരുടെ കാരിയറിന്റെ സാന്ദ്രത; പുനഃസംയോജന ജീവിതകാലം; ഇലക്ട്രോണുകൾ, ദ്വാരങ്ങൾ, ആംബിപോളാർ തരങ്ങൾ എന്നിവയുടെ വ്യാപന ദൈർഘ്യവും. ഇതെല്ലാം N തവണ ആവർത്തിക്കാം (അതായത് പരീക്ഷണത്തിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന പ്രകാശ തീവ്രത പരാമീറ്ററുകളുടെ എണ്ണം).

ഈ പുതിയ കണ്ടുപിടിത്തവും സാങ്കേതികവിദ്യയും നിലവിലുള്ളതും ഉയർന്നുവരുന്നതുമായ സാങ്കേതികവിദ്യകളിൽ അർദ്ധചാലക പുരോഗതിയെ സഹായിക്കും. അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ ഭൗതിക സവിശേഷതകൾ വളരെ വിശദമായി വേർതിരിച്ചെടുക്കാൻ ആവശ്യമായ അറിവും ഉപകരണങ്ങളും ഇപ്പോൾ നമുക്കുണ്ട്. ഉദാഹരണത്തിന്, മികച്ച സോളാർ പാനലുകൾ, മികച്ച ഒപ്റ്റോ ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ, ആർട്ടിഫിഷ്യൽ ഇന്റലിജൻസ് സാങ്കേതികവിദ്യകൾക്കായുള്ള പുതിയ മെറ്റീരിയലുകളും ഉപകരണങ്ങളും പോലുള്ള അടുത്ത തലമുറ അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ വികസനം ത്വരിതപ്പെടുത്താൻ ഇത് സഹായിക്കും.

യഥാർത്ഥ 7 ഒക്ടോബർ 2019-ന് പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ലേഖനം IBM റിസർച്ച് ബ്ലോഗ്.
പരിഭാഷ: നിക്കോളായ് മരിൻ (നിക്കോളായ് മാരിൻ), റഷ്യയിലും CIS രാജ്യങ്ങളിലും ചീഫ് ടെക്നോളജി ഓഫീസർ IBM.

അവലംബം: www.habr.com