سائنس دانوں نے ایک کرسٹلائن سیمی کنڈکٹر کی تلاش کی ہے جو درجہ حرارت کے فرق کو برقی وولٹیج میں تبدیل کرتا ہے جو نصابی کتابوں کی طبیعیات کی حد سے تقریبا ایک ہزار گنازیادہ ہے ۔

پیدا شدہ تھرمو الیکٹرک وولٹیج اتنا زیادہ ہوتا ہے کہ یہ عام طور پر صرف مائع الیکٹرولائٹس اور آئنک جیل میں نظر آنے والی اقدار کا مقابلہ کرتا ہےنا کہ ٹھوس مادے کا ، خاص طور پر سنگل کرسٹل مواد میں کرتا ہے۔

یہ دریافت ٹھوس مادوں میں اس اثر پر حد کے بارے میں دہائیوں پرانے مفروضے کو الٹ دیتی ہے اور الٹرا حساس درجہ حرارت سینسرز ، ہیٹ ڈیٹیکٹرز اور کوانٹم سینسنگ ڈیوائسز کے اگلے سلسلہ کا راستہ کھولتی ہے ۔

جب دو مختلف مادوں کے درمیان جنکشن کے ایک سرے کو گرم کیا جاتا ہے جبکہ دوسرے کو ٹھنڈا رکھا جاتا ہے ، تو موبائل چارج کیریئرکا بہاؤگرم طرف سے ٹھنڈے طرف ہوجاتا ہے، جس سے جنکشن کے پار وولٹیج بن جاتا ہے ۔ یہ رجحان ، جسے سی بیک اثر کے نام سے جانا جاتا ہے ، دو صدیوں پہلے دریافت کیا گیا تھا اور اس میں درجہ حرارت کے سینسر سے لے کر تھرمو الیکٹرک جنریٹرز تک کی ٹیکنالوجیز شامل ہیں جو فضلہ کی گرمی کو بجلی میں تبدیل کرتی ہیں ۔

کئی دہائیوں تک ، اس وولٹیج کا حجم ، جسے سی بیک کے عام جزو کےطور پر شمار کیا جاتا ہے ، کرسٹل ٹھوس میں اس اثر پر صرف چند ملی وولٹ فی کیلون کی اوپری حد رکھتا ہے ۔ زیادہ تر دھاتیں فی کیلون صرف دسیوں مائکرو وولٹ پیدا کرتی ہیں ، اور یہاں تک کہ اچھے سیمی کنڈکٹر بمشکل ہی فی کیلون چند سو مائکرو وولٹ سے زیادہ ہوتے ہیں ۔ صرف مائع نظام ، جیسے آئنک جیل اور الیکٹرولائٹس ، جن میں الیکٹرانوں کے بجائے چارج شدہ آئن حرارت کے بہاؤ میں مدد کرتے ہیں ، ملی وولٹ فی کیلون کی حد میں داخل ہوتے ہیں ۔

یونیورسٹی آف سڈنی ، آسٹریلیا اور انڈین انسٹی ٹیوٹ آف سائنس (آئی آئی ایس سی) بنگلور کے ساتھ مل کر محکمہ سائنس و ٹیکنالوجی (ڈی ایس ٹی) کے ایک خود مختار ادارے جواہر لال نہرو سینٹر فار ایڈوانسڈ سائنٹفک ریسرچ (جے این سی اے ایس آر) کے محققین کے ایک گروپ نے اب دکھایا ہے کہ نصابی کتاب کی اس حد کو ٹھوس ، ایپی ٹیکسیل کرسٹل میں توڑا جا سکتا ہے ۔

پروفیسر بیواس ساہا کی قیادت میں ٹیم کے ساتھ رینوکا کرنجے اور دھیماہی راؤ اور ساتھی دکشا ددھیچ اور جے این سی اے ایس آر سے سوربھ رودر ، یونیورسٹی آف سڈنی سے اشالتا اندرا دیوی کمالاسنن پلئی اور ڈاکٹر میگنس گاربریکٹ اور آئی آئی ایس سی سے پروفیسر سبرتو مکھرجی نے الٹرا ہائی ویکیوم میگنیٹرون سپٹرنگ کا استعمال کرتے ہوئے میگنیشیم آکسائڈ سبسٹریٹس پر اسکینڈیم نائٹرائڈ (ایس سی این) کی ایک ریفریکٹری ٹرانزیشن میٹل نائٹرائڈ کی پتلی فلمیں تیار کیں ۔

محققین نے ان میں جان بوجھ کر میگنیشیم شامل کیا تاکہ آکسیجن کی آمیزش کے باعث مادے میں قدرتی طور پر موجود آزاد الیکٹرانوں کے اثر کو متوازن کیا جا سکے۔ اس عمل کے نتیجے میں ایک ایسا نیم موصل تیار ہوا جسے ’’بہت زیادہ آمیزش شدہ اور انتہائی متوازن سیمی کنڈیکٹر‘‘ کہا جاتا ہے۔ اس مادے میں مثبت اور منفی چارج رکھنے والے آمیزشی ایٹم تقریباً یکساں تعداد میں کرسٹل ساخت کے اندر بے ترتیب طور پر پھیلے ہوتے ہیں۔

ایکس رے تفرقی تجزیے اور ایٹمی سطح کی تفصیل دکھانے والی برقی خردبین سے تصدیق ہوئی کہ یہ تہیں سنگل کرسٹیلائن اور ایپی ٹیکسیل رہیں، جبکہ آمیزشی ایٹم یکساں طور پر تقسیم تھے اور ان میں کسی دوسرے مرحلے یا اضافی ذرات کی تشکیل نہیں ہوئی۔

ان ایچ ڈی ایس سی  ایس سی این کی تہوں میں ٹیم نے سی بیک کے  عام جزو کی ایسی قدر ناپی جو غیر نامیاتی سیمی کنڈیکٹر میں عام طور پر دیکھی جانے والی قدر سے کئی سو گنا سے لے کر ایک ہزار گنا سے بھی زیادہ تھی اور یہ قدر پہلے سے معلوم زیادہ سے زیادہ حد سے بھی تقریباً سو گنا زیادہ تھی( کمرے کے درجۂ حرارت کے قریب تقریباً 200 نینو میٹر موٹی تہہ میں یہ قدر منفی 124.6 ملی وولٹ فی کیلون سے بھی زیادہ ریکارڈ کی گئی)۔ اس طرح یہ قدر اس حد سے واضح طور پر تجاوز کر گئی جو اس سے پہلے مائع الیکٹرولائٹ اور آئنک کنڈیکٹر، جیسے ہائیڈروجیل اور آئنک جیلاٹن، سے بھی وابستہ سمجھی جاتی تھی۔

محققین نے اس نتیجے کو ایک مکمل طور پر کرسٹیلائن الیکٹرولائٹ جیسی حرارتی برقی قوت کی ٹھوس حالت میں موجود مثال قرار دیا ہے۔

جیسے جیسے بہت زیادہ آمیزش شدہ اور انتہائی متوازن اسکینڈیم نائٹرائڈ (ایچ ڈی ایس سی    ایس سی اینؤکی تہوں کو مزید پتلا کیا گیا، یہ اثر اور بھی زیادہ مضبوط ہوتا گیا۔

تحقیق کی قیادت کرنے والے پروفیسر بِواس ساہا نے کہا، ’’جب ہم نے یہ کام شروع کیا تھا تو ہمارا مقصد کوئی نیا ریکارڈ قائم کرنا نہیں تھا؛ ہم یہ سمجھنے کی کوشش کر رہے تھے کہ بے ترتیبی اور برقی بار کی متوازن تقسیم اسکینڈیم نائٹرائڈ میں برقی نقل و حمل کو کس طرح تبدیل کرتی ہے۔ لیکن اس کے بجائے ہمیں معلوم ہوا کہ ایک مکمل طور پر کرسٹیلائن، ایپی ٹیکسیل اور یک مرحلہ سیمی کنڈیکٹر حرارتی برقی خصوصیات کے اعتبار سے مائع الیکٹرولائٹ کی طرح برتاؤ کر سکتا ہے۔ یہ واقعی حیران کن تھا اور اس سے ہمیں معلوم ہوتا ہے کہ ٹھوس مادوں میں انتہائی غیر معمولی حرارتی برقی اور حساس پیمائشی کارکردگی حاصل کرنے کے لیے مصنوعی طور پر پیدا کی گئی بے ترتیبی ایک ایسا راستہ ہے جسے ابھی بڑی حد تک استعمال نہیں کیا گیا ہے۔‘‘

 

شکل 1: بہت زیادہ آمیزش شدہ اور انتہائی متوازن اسکینڈیم نائٹرائڈ کے برقی بینڈ خاکے کا تصویری نقشہ، جس میں حرارتی برقی قوت بولٹزمین کی حد کو عبور کرتے ہوئے دکھایا گیا ہے۔

ٹیم نے دو کرومیم رابطوں کے ساتھ ایچ ڈی ایچ سی ایس سی این فلم کا استعمال کرتے ہوئے ایک ابتدائی پروٹو ٹائپ فوٹون سینسر بنایا ہے ۔ لیزر کے ساتھ ایک رابطے کو روشن کرنے سے پورے آلے میں ایک چھوٹا سا ، مقامی درجہ حرارت کا فرق پیدا ہوا ، اور اس کے نتیجے میں وولٹیج کی تبدیلی 102.4 - ملی وولٹ فی کیلون کے سی بیک ردعمل میں ہوا ، جو کلاسیکی روشنی کا پتہ لگانے کے لئے کافی ہے اور ، ٹیم نے تجویز کیا کہ  کہ ممکنہ طور پر کمرے کے درجہ حرارت کے قریب ایک فوٹون سطح کا مزید درستگی کے ساتھ پتہ لگایا جاسکتا ہے۔ وولٹیج کا ردعمل تیز تھا ، متعدد روشنی کے چکروں پر دہرایا جا سکتا تھا ، اور مواد کو بغیر کسی تبدیلی کے چھوڑ دیا ۔ اس کام کی بنیاد پر ٹیم نے تھرمو الیکٹرک پتلی فلم کے مواد اور درجہ حرارت اور فوٹون کا پتہ لگانے کے لیے سینسرز پر ایک ہندوستانی پیٹنٹ کی درخواست کی ہے ۔

 

تصویر 2: (بائیں سے دائیں) جے این سی اے ایس آر ٹیم ، پروفیسر بیواس ساہا ، سوربھ رودر ، دکشا ددھیچ ، رینوکا کرنجے اور دھیماہی راؤ

ممتاز سائنسی جریدے ’’سائنس‘‘ میں شائع ہونے والے ان نتائج سے انتہائی حساس درجۂ حرارت کی پیمائش، کم آواز  والی حرارتی تصویربرداری کشی کے بہاؤ کی انتہائی باریک پیمائش، حرارتی پیمائش پر مبنی آلات اور انٹرنیٹ آف تھنگز کے سینسرز کے علاوہ ابھرتی ہوئی کوانٹم ٹیکنالوجیز میں استعمال ہونے والے انتہائی کم درجۂ حرارت پر کام کرنے والے حرارتی برقی ایک فوٹون پکڑنے والے آلات میں استعمال کے امکانات ظاہر ہوتے ہیں۔ ٹیم نے یہ بھی بتایا ہے کہ اس اثر کا درجۂ حرارت کے ساتھ تیزی سے اور واضح طور پر بدلتا ہوا تعلق مستقبل میں درجۂ حرارت کے ذریعے قابو کیے جانے والےسی بیک سوئچ تیار کرنے میں مدد دے سکتا ہے، جنہیں مختلف آلات میں استعمال کیا جا سکے گا۔۔

اشاعت کا لنک: DOI: 10.1126/Science. aef9458

رابطہ کی معلومات: پروفیسر بیواس ساہا (bsaha@jncasr.ac.in)

 

ش ح۔ م ش ۔ج

UNO-2850

(ریلیز آئی ڈی: 2305361) وزیٹر کاؤنٹر : 5