नए शोध से पता चलता है कि कंप्यूटर चिप डिजाइन में आमतौर पर नजरअंदाज की जाने वाली सामग्रियां वास्तव में सूचना प्रसंस्करण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं, एक ऐसी खोज जिससे तेजी से और अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स का निर्माण हो सकता है।

उन्नत इमेजिंग तकनीकों का उपयोग करते हुए, पेन स्टेट शोधकर्ताओं के नेतृत्व में एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने पाया कि जिस सामग्री पर सेमीकंडक्टर चिप डिवाइस बनाया गया है, जिसे सब्सट्रेट कहा जाता है, वह इसके शीर्ष पर सेमीकंडक्टर की तरह बिजली में परिवर्तन पर प्रतिक्रिया करता है।

शोधकर्ताओं ने सेमीकंडक्टर सामग्री, वैनेडियम डाइऑक्साइड के साथ काम किया, जिसके बारे में उन्होंने कहा कि यह एक इलेक्ट्रॉनिक स्विच के रूप में काफी संभावनाएं दिखाता है।उन्होंने यह भी अध्ययन किया कि वैनेडियम डाइऑक्साइड सब्सट्रेट सामग्री टाइटेनियम डाइऑक्साइड के साथ कैसे संपर्क करता है और कहा कि वे यह जानकर आश्चर्यचकित थे कि सब्सट्रेट में एक सक्रिय परत होती है जो उसी के समान व्यवहार करती है।अर्धचालक सामग्रीइसके शीर्ष पर जब सेमीकंडक्टर एक इंसुलेटर के बीच स्विच करता है - जो बिजली का प्रवाह नहीं होने देता है - और एक धातु - जो बिजली का प्रवाह देता है।पेन स्टेट में सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग और भौतिकी के प्रोफेसर, अध्ययन प्रमुख वेंकटरमन गोपालन ने कहा कि यह रहस्योद्घाटन कि सब्सट्रेट अर्धचालक प्रक्रियाओं में सक्रिय भूमिका निभा सकते हैं, भविष्य की सामग्रियों और उपकरणों को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

के संबंधित लेखक गोपालन ने कहा, "मूर के नियम को बनाए रखने के लिए छोटे और तेज़ इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए नए विचारों की आवश्यकता है।"

द स्टडीमें प्रकाशितउन्नत सामग्री."एक विचार जो अपनाया जा रहा है वह सामग्री है, जैसे कि वैनेडियम डाइऑक्साइड, जो एक सेकंड के खरबवें हिस्से में धातु - एक अवस्था - और इन्सुलेटर - शून्य अवस्था - अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकती है। इसे अंडरिंग मेटल-इन्सुलेटर के रूप में जाना जाता हैपरिवर्तन।"

गोपालन ने कहा, धातु-से-इन्सुलेटर ट्रांजिस्टर के रूप में वैनेडियम डाइऑक्साइड की क्षमता अच्छी तरह से प्रलेखित है और इसकी कम ऊर्जा खपत के कारण सामग्री को अर्धचालक प्रौद्योगिकी के लिए आशाजनक माना जाता है।हालाँकि, सामग्री के गुणों को अभी भी पूरी तरह से समझा नहीं गया है, और अब तक, इसे आमतौर पर वास्तविक उपकरण में काम करते समय के बजाय अलगाव में देखा गया है।

वैनेडियम डाइऑक्साइड ने इलेक्ट्रॉनिक प्रभावों को दृढ़ता से सहसंबद्ध किया है, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉनों के बीच प्रतिकर्षण डिवाइस के साथ हस्तक्षेप करता है, इसलिए इसे नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है जैसा कि वर्तमान में सिलिकॉन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है।इस विशेषता के परिणामस्वरूप उच्च तापमान अतिचालकता और उन्नत चुंबकीय गुणों जैसी नवीन कार्यक्षमता वाली सामग्री प्राप्त हो सकती है।

गोपालन ने कहा, "इस सामग्री की अंतर्निहित भौतिकी को कम समझा गया है, और डिवाइस ज्यामिति में इसका प्रदर्शन और भी कम समझा गया है।""अगर हम उन्हें काम करने में सक्षम बना सकते हैं, तो इलेक्ट्रॉनिक्स में पुनर्जागरण होगा। विशेष रूप से, न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग - जहां कंप्यूटर सिस्टम जो न्यूरॉन्स के साथ जीवित प्रणालियों के दिमाग से प्रेरणा लेते हैं - ऐसे उपकरणों का उपयोग करके गंभीरता से लाभ उठा सकते हैं।"

टीम ने वैनेडियम डाइऑक्साइड की जांच अलगाव के बजाय एक उपकरण में की, इसमें वोल्टेज लगाकर इसे एक इन्सुलेटिंग से एक कंडक्टिंग स्थिति में बदल दिया।उन्होंने आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी में एडवांस्ड फोटॉन सोर्स (एपीएस) का उपयोग किया, जो परमाणु स्तर पर सामग्रियों के व्यवहार और संरचना का अध्ययन करने के लिए शक्तिशाली एक्स-रे बीम का उपयोग करता है।स्विचिंग इवेंट के लिए सामग्री की स्थानिक और लौकिक प्रतिक्रिया का मानचित्रण करते समय, शोधकर्ताओं ने सामग्री और सब्सट्रेट की संरचना में अप्रत्याशित परिवर्तन देखे।

गोपालन ने कहा, "हमने पाया कि जैसे ही वैनेडियम डाइऑक्साइड फिल्म धातु में बदलती है, पूरा फिल्म चैनल उभर जाता है, जो बहुत आश्चर्यजनक है।""आम तौर पर इसे सिकुड़ना चाहिए। तो स्पष्ट रूप से फिल्म ज्यामिति में कुछ और चल रहा था जो पहले छूट गया था।"

एपीएस एक्स-रे वैनेडियम डाइऑक्साइड फिल्म के माध्यम से और टाइटेनियम डाइऑक्साइड (टीओओ) में प्रवेश कर गया₂) सब्सट्रेट - जिसे आम तौर पर विद्युत और यांत्रिक रूप से निष्क्रिय सामग्री माना जाता है - जिस पर पतली फिल्म उगाई गई थी।

गोपालन ने कहा, "हमें यह देखकर बड़ा आश्चर्य हुआ कि यह सब्सट्रेट बहुत अधिक सक्रिय है, पूरी तरह से आश्चर्यजनक तरीके से काम करता है और प्रतिक्रिया करता है क्योंकि जब विद्युत तरंगें आती हैं तो फिल्म एक इंसुलेटर से धातु में बदल जाती है और वापस आ जाती है।""यह कुत्ते को पूंछ हिलाते हुए देखने जैसा है, जिसने हमें काफी देर तक स्तब्ध कर दिया। यह आश्चर्यजनक और पहले से नजरअंदाज किया गया अवलोकन पूरी तरह से बदल देता है कि हमें इस तकनीक को कैसे देखना है।"

इन निष्कर्षों को समझने के लिए, लॉन्ग-किंग चेन, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के हैमर प्रोफेसर, इंजीनियरिंग विज्ञान और यांत्रिकी के प्रोफेसर और पेन स्टेट में गणित के प्रोफेसर के नेतृत्व में सिद्धांत और सिमुलेशन प्रयास ने पूरी प्रक्रिया को समझाने के लिए एक सैद्धांतिक रूपरेखा विकसित की।फिल्म और सब्सट्रेट सिकुड़ने के बजाय उभरे हुए हैं।जब उनके मॉडल में प्राकृतिक रूप से घटने वाली कमी को शामिल किया गयाऑक्सीजन परमाणुआवेशित और अनावेशित दो प्रकार की इस सामग्री में प्रयोगात्मक परिणामों को संतोषजनक ढंग से समझाया जा सकता है।

गोपालन ने कहा, "इन तटस्थ ऑक्सीजन रिक्तियों में दो इलेक्ट्रॉनों का चार्ज होता है, जिसे वे तब छोड़ सकते हैं जब सामग्री एक इन्सुलेटर से धातु में बदल जाती है।""पीछे छोड़ी गई ऑक्सीजन रिक्ति अब चार्ज हो गई है और फूल गई है, जिससे डिवाइस में आश्चर्यजनक सूजन देखी जा सकती है। यह सब्सट्रेट में भी हो सकता है। ये सभीभौतिक प्रक्रियाएँप्रोफेसर चेन के समूह में पोस्टडॉक यिन शी द्वारा पहली बार इस कार्य में किए गए चरण-क्षेत्र सिद्धांत और मॉडलिंग को खूबसूरती से कैद किया गया है।"

गोपालन ने नई समझ के लिए सामग्री विकास, संश्लेषण, संरचना विश्लेषण और सिंक्रोट्रॉन बीमलाइन ऑपरेशन में बहु-विषयक टीम की संयुक्त विशेषज्ञता को श्रेय दिया।ए का उपयोग करनासहयोगात्मक दृष्टिकोणअमेरिकी सेना के भौतिक वैज्ञानिक और प्रमुख प्रायोगिक लेखक ग्रेग स्टोन और पेन स्टेट के पोस्टडॉक्टरल विद्वान और प्रमुख सिद्धांत लेखक यिन ची के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने सामग्री की प्रतिक्रियाओं को सुलझाया और चरण क्षेत्र सिमुलेशन, एक सिमुलेशन का उपयोग करके उन्हें व्यक्तिगत रूप से देखा।जो वैज्ञानिकों को आभासी सेटिंग में पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं का चित्रण करके समय के साथ भौतिक परिवर्तनों को समझने में मदद करता है।

बर्लिन में पॉल ड्रूड इंस्टीट्यूट ऑफ सॉलिड स्टेट इलेक्ट्रॉनिक्स के निदेशक रोमन एंगेल-हर्बर्ट ने कहा, "इन विशेषज्ञों को एक साथ लाकर और समस्या के बारे में हमारी समझ को एकत्रित करके, हम विशेषज्ञता के अपने व्यक्तिगत दायरे से कहीं आगे जाने और कुछ नया खोजने में सक्षम हुए।", जर्मनी, और अध्ययन के सह-लेखक जिनके समूह ने कॉर्नेल विश्वविद्यालय में डेरेल श्लोम के समूह के साथ इन फिल्मों का विकास किया।

"कार्यात्मक सामग्रियों की क्षमता को पहचानने के लिए उनके व्यापक संदर्भ की सराहना की आवश्यकता होती है, जैसे जटिल वैज्ञानिक चुनौतियों को केवल हमारे व्यक्तिगत दृष्टिकोण को व्यापक बनाकर ही हल किया जा सकता है।"

सहयोग ने कम समय में महत्वपूर्ण प्रगति करने और कम समय में काम करने में सक्षम बनाया, और कई विषयों से विभिन्न प्रकार के दृष्टिकोण लाए।

शोधकर्ताओं ने कहा कि प्रतिक्रियाओं को आगे की जांच की आवश्यकता है, लेकिन उनका मानना ​​​​है कि उन्हें समझने से पहले की अज्ञात क्षमताओं की पहचान करने में मदद मिलेगीवैनेडियम डाइऑक्साइड, जिसमें TiO में अभी तक खोजी जाने वाली संभावित घटनाएं भी शामिल हैं₂सब्सट्रेट जिसे इस अध्ययन से पहले निष्क्रिय माना जाता था।गोपालन ने कहा कि यह अध्ययन 10 वर्षों में सामने आया, जिसमें परिणामों को मान्य करना भी शामिल था।

गोपालन ने कहा, "दिलचस्प विज्ञान से एक कार्यशील उपकरण जिसे आप अपने हाथ की हथेली में पकड़ सकते हैं, तक जाने के लिए यही आवश्यक है।""प्रयोग और सिद्धांत जटिल हैं और कठिन समस्याओं को हल करने के लिए बड़े पैमाने पर सहयोगी टीमों को एक साथ मिलकर लंबे समय तक काम करने की आवश्यकता होती है, जिनका बड़ा प्रभाव हो सकता है। हम आशा करते हैं और आशा करते हैं कि इससे नई पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की दिशा में प्रगति में तेजी आएगी।।"