டாலியனின் லேசர் சாதனை: அதிதீவிர புறஊதாக் கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர்களில் சீனாவின் முன்னேற்றம்

சீனாவின் டாலியன் மேம்பட்ட ஒளி மூலத்தில் முக்கிய லேசர் மைல்கல்

உலக அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்பத்தில் ஒரு வரலாற்றுச் சாதனையாக, லியாவோனிங் மாகாணத்தின் டாலியனில் முதன்முறையாக ஒரு மெகாஹெர்ட்ஸ் மீள்நிகழ்வு விகிதத்தில் எலக்ட்ரான் கற்றையை சீன ஆய்வாளர்கள் வெற்றிகரமாக இயக்கியுள்ளனர். இந்த முன்னேற்றம், அடுத்த தலைமுறை அதிதீவிர புறஊதா (EUV) கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர் (FEL) நிலையமான டாலியன் மேம்பட்ட ஒளி மூலம் (DALS) திட்டத்தில் ஒரு முக்கிய படியாகும். இந்தச் சாதனை, மேம்பட்ட ஒளி மூலங்களை உருவாக்குவதில் சீனாவின் முன்னணி நிலையை உறுதிப்படுத்துவதோடு, இயற்பியல், வேதியியல், உயிரியல் மற்றும் பொருள் அறிவியல் ஆய்வுகளுக்குப் புதிய வாய்ப்புகளையும் திறக்கிறது.

டாலியன் மேம்பட்ட ஒளி மூலம் என்றால் என்ன, அது ஏன் முக்கியம்?

கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர் தொழில்நுட்பத்தைப் பயன்படுத்தி, மிகுந்த பிரகாசமும் ஒத்திசைவும் கொண்ட EUV ஒளிக்கற்றைகளை உருவாக்கும் அதிநவீன அறிவியல் நிலையமாக டாலியன் மேம்பட்ட ஒளி மூலம் திட்டமிடப்பட்டுள்ளது. வழக்கமான லேசர்களைப் போலன்றி, FEL-கள் காந்தக் கட்டமைப்புகள் (அலைவாக்கிகள் எனப்படும்) வழியாகச் செல்லும் அதிவேக எலக்ட்ரான் கற்றைகளைப் பயன்படுத்தி, பாரம்பரிய முறைகளால் எட்ட முடியாத அலைநீளங்களில் ஒளியை உருவாக்குகின்றன. இதனால், அடிப்படை இயற்பியல் முதல் மேம்பட்ட உற்பத்தி மற்றும் உயிர் அறிவியல் வரையிலான பயன்பாடுகளுடன், அணு மற்றும் மூலக்கூறு அளவுகளில் நுண்ணிய உலகை ஆராய FEL-கள் தனித்துவமாகப் பயன்படுகின்றன.

சீன அறிவியல் அகாடமியின் டாலியன் வேதியியல் இயற்பியல் நிறுவனத்தைச் (DICP) சேர்ந்த கல்வியாளர் யாங் சுவெமிங் மற்றும் ஆய்வாளர் ஜாங் வெய்கிங் ஆகியோர் DALS திட்டத்துக்குத் தலைமை தாங்குகின்றனர். நிலையான, அதிக மீள்நிகழ்வு விகிதம் கொண்ட எலக்ட்ரான் கற்றைகளை உருவாக்குவதில் அவர்களது குழு அண்மையில் பெற்ற வெற்றி, FEL கட்டமைப்பில் உள்ள மிகக் கடினமான தொழில்நுட்பச் சவால்களில் ஒன்றுக்குத் தீர்வு காண்கிறது. சீனாவின் முதல் FEL பயனர் நிலையமாகவும், உலகிலேயே EUV பகுதியில் மட்டுமே இயங்கும் ஒரே நிலையமாகவும் உள்ள DALS, அறிவியல் கண்டுபிடிப்பு மற்றும் தொழில்நுட்பப் புத்தாக்கத்தின் முக்கிய அடித்தளமாக உருவெடுக்க உள்ளது.

கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர்களைப் புரிந்துகொள்வோம்

கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர்கள் பெரும்பாலும் மேம்பட்ட ஒளி மூலங்களின் “நான்காம் தலைமுறை” என்று அழைக்கப்படுகின்றன. ஒளியை உருவாக்க குறிப்பிட்ட பொருள்களைச் சார்ந்திருக்கும் பாரம்பரிய லேசர்களைப் போலன்றி, FEL-கள் ஒளியின் வேகத்துக்கு நெருக்கமான வேகத்தில் முடுக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்களின் ஓட்டத்தைப் பயன்படுத்துகின்றன. இந்த எலக்ட்ரான்கள் அலைவாக்கிகள் வழியாகச் செல்லும்போது, அகச்சிவப்பு முதல் எக்ஸ் கதிர்கள் வரையிலான பல்வேறு அலைநீளங்களுக்கு மாற்றியமைக்கக்கூடிய ஒளியை வெளியிடுகின்றன. மிகக் குறுகிய துடிப்புகளையும் மிகவும் அதிகப் பிரகாசத்தையும் உருவாக்கும் திறனுடன் சேர்ந்த இந்த நெகிழ்வுத்தன்மை, அதிவேக நிகழ்வுகளைப் பதிவு செய்யவும் அணு அளவில் கட்டமைப்புகளைத் தீர்மானிக்கவும் FEL-களுக்கு உதவுகிறது.

DALS-க்கு முன்னோடியாக அமைந்த டாலியன் ஒத்திசைவு ஒளி மூலம் (DCLS), 50-150 nm வரம்பில் ஒளிக்கற்றைகளை வழங்கி, 100 ஃபெம்டோவிநாடிகள் (ஒரு வினாடியின் ஒரு குவாட்ரில்லியனில் ஒரு பங்கு) வரையிலான துடிப்பு கால அளவுடன் FEL-களின் ஆற்றலை ஏற்கெனவே நிரூபித்துள்ளது. இந்தத் திறன்கள், மின்னணு இயக்கவியல், மூலக்கூறு பரிணாமம் மற்றும் பொருள்களின் நிலைமாற்றங்களை நிகழ்நேரத்தில் கவனிக்க விஞ்ஞானிகளுக்கு உதவுகின்றன.

இந்தச் சாதனை எவ்வாறு நிகழ்த்தப்பட்டது?

டாலியனில் அண்மையில் நிகழ்த்தப்பட்ட இந்த மைல்கல், பல ஆண்டுகால கூட்டுழைப்பு மற்றும் தொழில்நுட்பப் புத்தாக்கத்தின் விளைவாகும். 2020-இல் திட்டம் தொடங்கியதிலிருந்து, DICP-யும் ஷென்சென் மேம்பட்ட ஒளி மூல வசதிகள் நிறுவனமும் இணைந்து, FEL இயக்கத்துக்குத் தேவையான முக்கிய தொழில்நுட்பங்களின் தொகுப்பை உருவாக்கியுள்ளன. அவற்றில் அடங்குபவை:

• உயர்தர எலக்ட்ரான் கற்றைகளை உருவாக்கும் திறன் கொண்ட ஒளிமின் எதிர்மின் முனை எலக்ட்ரான் துப்பாக்கி
• துல்லியமான நேரக் கட்டுப்பாடு மற்றும் இயக்கத்துக்கான அதிவேக லேசர் அமைப்புகள்
• நிலையான முடுக்கத்துக்கான திடநிலை ரேடியோ அதிர்வெண் மின்சக்தி மூலங்கள்
• தொடர்ச்சியான அலை இயக்கத்தைச் சாத்தியமாக்கும் மீக்கடத்தி முடுக்கி தொகுதிகள்
• மீக்கடத்தித் தன்மையைப் பேணுவதற்கான தாழ்வெப்பநிலை ஹீலியம் குளிரூட்டும் அமைப்புகள்

ஒரு மெகாஹெர்ட்ஸ் (நொடிக்கு ஒரு மில்லியன் சுழற்சிகள்) மீள்நிகழ்வு விகிதத்தில் எலக்ட்ரான் கற்றைகளை உருவாக்குவது, நிலைத்தன்மை மற்றும் தரம் ஆகிய இரண்டும் தேவைப்படுவதால் மிகவும் சவாலானது. இந்தச் சாதனை, அடுத்த தலைமுறை FEL-களுக்குத் தேவையான அடிப்படைத் தொழில்நுட்பங்களை டாலியன் குழு வெற்றிகரமாகக் கையாண்டிருப்பதை நிரூபிக்கிறது.

இந்த வெற்றி “திட்டத்தின் எதிர்காலக் கட்டுமானத்துக்கு வலுவான அடித்தளமிடுகிறது” என்றும், அதிநவீன FEL நிலையங்களை மேம்படுத்துவதற்கான சீனாவின் பரந்த முயற்சியில் இது குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் என்றும் ஆய்வுக் குழு தெரிவித்துள்ளது.

அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்பத் தாக்கம்: FEL-கள் ஏன் பெரும் மாற்றத்தை ஏற்படுத்துகின்றன?

DALS போன்ற கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர்கள், இதுவரை கற்பனைக்கெட்டாத கருவிகளை வழங்குவதன் மூலம் அறிவியல் ஆராய்ச்சியில் புரட்சியை ஏற்படுத்துகின்றன. EUV மற்றும் எக்ஸ் கதிர் பகுதிகளில் ஒத்திசைவான, அலைநீளத்தை மாற்றியமைக்கக்கூடிய, மிகுந்த பிரகாசமுள்ள ஒளியை உருவாக்கும் அவற்றின் திறன் விஞ்ஞானிகளுக்கு உதவுபவை:

• அணு அளவிலான துல்லியத்தில் மூலக்கூறுகள் மற்றும் பொருள்களின் கட்டமைப்பு, இயக்கவியல் ஆகியவற்றை ஆராய்தல்
• அதிவேக வேதிவினைகள் மற்றும் உயிரியல் செயல்முறைகளை நிகழ்நேரத்தில் ஆய்வு செய்தல்
• மருத்துவம் மற்றும் பொருள் அறிவியலுக்கான மேம்பட்ட படமெடுக்கும் நுட்பங்களை உருவாக்குதல்
• EUV லித்தோகிராஃபி மூலம் அடுத்த தலைமுறை குறைக்கடத்தி உற்பத்திக்கு ஆதரவளித்தல்

எடுத்துக்காட்டாக, மூலக்கூறு ஒளிவேதியியல், வளிமத் துகள் நிறமாலைமானி ஆய்வு மற்றும் உயிரியல் நிறமாலைமானி ஆய்வு ஆகியவற்றில் டாலியன் ஒத்திசைவு ஒளி மூலம் சோதனைகளுக்கு வழிவகுத்துள்ளது. உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட நிறமாலைமானி ஆய்வில் EUV லேசர் கற்றைகளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், சிக்கலான உயிர்மூலக்கூறுகளை ஆய்வாளர்கள் திறம்படப் பிரித்து, அவற்றின் கட்டமைப்பு குறித்த விரிவான தகவல்களைப் பெற முடிகிறது. இதன்மூலம் புரதவியல் மற்றும் மருந்துக் கண்டுபிடிப்பு போன்ற துறைகள் முன்னேறுகின்றன.

FEL தொழில்நுட்பத்துக்கான சீனாவின் உத்திசார் தொலைநோக்கு

அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்ப வளர்ச்சிக்கான உத்திசார் முன்னுரிமையாக FEL தொழில்நுட்பத்தைச் சீனா அடையாளம் கண்டுள்ளது. தேசிய வளர்ச்சி உத்திகளின்படி, 2035-க்குள் நீண்ட அலை FEL-கள், எக்ஸ் கதிர் FEL-கள் மற்றும் FEL அடிப்படையிலான EUV லித்தோகிராஃபி ஒளி மூலங்கள் ஆகியவற்றில் முன்னேற்றங்களை எட்ட நாடு இலக்கு கொண்டுள்ளது. அடிப்படை ஆராய்ச்சியில் அதிகரித்த முதலீடு, பல தரப்புக் கூட்டுறவு மற்றும் தற்சார்புப் புத்தாக்கத்துக்கு அளிக்கப்படும் முக்கியத்துவம் ஆகியவை இந்த முயற்சிகளுக்கு ஆதரவளிக்கின்றன.

குறிப்பாக, டாலியன் வேதியியல் இயற்பியல் நிறுவனம், வினையூக்கம், வேதிப் பொறியியல் மற்றும் லேசர் தொழில்நுட்பம் ஆகியவற்றில் முன்னோடி ஆராய்ச்சிக்கு நீண்டகால வரலாற்றைக் கொண்டுள்ளது. DALS திட்டத்தில் அதன் தலைமை, உலகத் தரத்திலான அறிவியல் உள்கட்டமைப்பை உருவாக்கவும் புதிய தலைமுறை அறிவியல் திறமையாளர்களை வளர்க்கவும் சீனா கொண்டுள்ள உறுதிப்பாட்டைப் பிரதிபலிக்கிறது.

உலகளாவிய ஒளி மூல நிலையங்களுடன் DALS-ஐ ஒப்பிடுதல்

உலகெங்கிலும் உள்ள பல மேம்பட்ட ஒளி மூல நிலையங்கள், கட்டமைப்பு உயிரியல், பொருள் அறிவியல் மற்றும் வேதியியல் ஆராய்ச்சியில் மாற்றத்தை ஏற்படுத்தியுள்ளன. ஸ்விட்சர்லாந்தின் ஸ்விஸ் லைட் சோர்ஸ் மற்றும் ஸ்விஸ்FEL ஆகியவை குறிப்பிடத்தக்க எடுத்துக்காட்டுகள்; அவை பெருமூலக்கூறுகளை அதிக அளவிலும் உயர் தெளிவுத்திறனிலும் ஆய்வு செய்ய வழிவகுத்துள்ளன. எனினும், அதிக மீள்நிகழ்வு விகிதத்தில் தொடர்ச்சியான அலை இயக்கத்தைக் கொண்ட EUV FEL நிலையமாக DALS திட்டம் தனித்துவமான இடத்தைப் பெற்றுள்ளது. இதன் திறன்கள், தற்போது உள்ள சின்க்ரோட்ரான் மற்றும் FEL ஒளி மூலங்களுக்குத் துணையாக இருப்பதுடன் அவற்றின் திறன்களையும் விரிவுபடுத்துகின்றன.

உலகின் பெரும்பாலான FEL நிலையங்கள் எக்ஸ் கதிர் அல்லது மென் எக்ஸ் கதிர் பகுதிகளில் இயங்குகின்றன. அதேவேளையில், மிக உயர்ந்த கால மற்றும் இடத் தெளிவுத்திறனுடன் ஒத்திசைவான EUV ஒளியை வழங்கும் வகையில் DALS வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது. இதனால், இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் தொடர்பான செயல்முறைகளை ஆய்வு செய்வதற்கும், குறைக்கடத்தி தயாரிப்புக்கான EUV லித்தோகிராஃபி உள்ளிட்ட மேம்பட்ட உற்பத்திப் பயன்பாடுகளுக்கும் இது குறிப்பாகப் பயனுள்ளதாக அமைகிறது.

அறிவியல், தொழில் மற்றும் சமூகத்துக்கான பரந்த தாக்கங்கள்

DALS-ஐ வெற்றிகரமாக உருவாக்குவது, அடிப்படை ஆராய்ச்சியைத் தாண்டியும் தொலைநோக்கான தாக்கங்களைக் கொண்டுள்ளது. தூய்மையான ஆற்றல் மற்றும் சுற்றுச்சூழல் தொழில்நுட்பத் துறைகளில், வினையூக்கம், வேதிப் பொறியியல் மற்றும் ஆற்றல் சேமிப்பு ஆகியவற்றில் புதிய கண்டுபிடிப்புகள் மூலம் டாலியன் வேதியியல் இயற்பியல் நிறுவனம் ஏற்கெனவே தலைமைத்துவத்தை வெளிப்படுத்தியுள்ளது. DALS-இன் மேம்பட்ட திறன்கள், இந்தத் துறைகளில் ஆராய்ச்சியை மேலும் வலுப்படுத்தி, அதிக செயல்திறன் கொண்ட வினையூக்கிகளை வடிவமைக்கவும், ஆற்றல் மாற்றச் செயல்முறைகளை ஆய்வு செய்யவும், நிலைத்த தொழில்நுட்பங்களுக்கான புதிய பொருள்களை உருவாக்கவும் உதவும்.

தொழில்துறையில், குறைக்கடத்தி உற்பத்தியின் அடுத்த தலைமுறைக்கு FEL அடிப்படையிலான EUV ஒளி மூலங்கள் முக்கியமானவை. சில்லுத் தயாரிப்பாளர்கள் மிகச்சிறிய அளவுகளின் வரம்புகளை எட்ட முயலும் நிலையில், சிறிய, வேகமான, குறைந்த ஆற்றல் நுகர்வு கொண்ட ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்றுகளைத் தயாரிக்க EUV லித்தோகிராஃபி இன்றியமையாததாகியுள்ளது. FEL-களுக்குப் பின்னால் உள்ள அடிப்படைத் தொழில்நுட்பங்களைத் திறம்படக் கையாள்வதன் மூலம், உலகளாவிய குறைக்கடத்தி விநியோகச் சங்கிலியில் தலைமை வகிக்கும் நிலையைச் சீனா எட்டுகிறது.

அடுத்த தலைமுறை விஞ்ஞானிகள் மற்றும் பொறியாளர்களுக்குப் பயிற்சி

DALS போன்ற பெரிய அளவிலான அறிவியல் நிலையங்கள், இளம் விஞ்ஞானிகள் மற்றும் பொறியாளர்களுக்குப் பயிற்சிக் களங்களாகவும் அமைகின்றன. அதிநவீன ஆராய்ச்சி மற்றும் தொழில்நுட்ப மேம்பாட்டில் பங்கேற்பதன் மூலம், மாணவர்களும் பணியின் தொடக்கநிலையில் உள்ள ஆய்வாளர்களும் கல்வித்துறை, தொழில்துறை மற்றும் அரசுத் துறைகளில் தலைமைப் பொறுப்புகளை ஏற்கத் தேவையான விலைமதிப்பற்ற அனுபவத்தைப் பெறுகின்றனர். புத்தாக்கத்தை நிலைநிறுத்தவும், அறிவியல் கண்டுபிடிப்பில் சீனா தொடர்ந்து முன்னிலையில் இருப்பதை உறுதிப்படுத்தவும் இந்தத் திறமையாளர்களை உருவாக்கும் பாதை இன்றியமையாதது.

சவால்களும் எதிர்காலப் பாதையும்

அண்மைய முன்னேற்றம் இருந்தபோதிலும், டாலியன் மேம்பட்ட ஒளி மூலத்தின் கட்டுமானம் மற்றும் இயக்கத்தில் குறிப்பிடத்தக்க சவால்கள் நீடிக்கின்றன. மெகாஹெர்ட்ஸ் மீள்நிகழ்வு விகிதத்தில் நிலையான, உயர்தர எலக்ட்ரான் கற்றைகளைப் பேணுவதற்கு, முடுக்கி தொழில்நுட்பம், தாழ்வெப்பவியல் மற்றும் கட்டுப்பாட்டு அமைப்புகளில் தொடர்ந்து முன்னேற்றம் தேவை. மேலும், இந்த நிலையத்தைப் பரந்த அறிவியல் சமூகத்துடன் ஒருங்கிணைப்பதும், ஆய்வாளர்களுக்கு திறந்த அணுகலை உறுதிசெய்வதும் அதன் தாக்கத்தை அதிகரிப்பதில் முக்கியமாக இருக்கும்.

FEL தொழில்நுட்பத்துக்கான சீனாவின் தேசிய உத்தி, நீடித்த முதலீடு, பல நிறுவனங்களிடையேயான ஒத்துழைப்பு மற்றும் அறிவியல் சாதனைகளை நடைமுறைப் பயன்பாடுகளாக மாற்றுதல் ஆகியவற்றின் முக்கியத்துவத்தை வலியுறுத்துகிறது. முன்மாதிரி நிலையிலிருந்து முழு அளவிலான செயல்பாட்டுக்கு DALS முன்னேறும்போது, சீனாவிலும் உலகெங்கிலும் எதிர்காலத்தில் உருவாக்கப்படும் பெரிய அளவிலான அறிவியல் திட்டங்களுக்கு அது முன்மாதிரியாக அமையும்.

சுருக்கமாக

• டாலியனில் உள்ள சீன விஞ்ஞானிகள், ஒரு மெகாஹெர்ட்ஸ் மீள்நிகழ்வு விகிதத்தில் எலக்ட்ரான் கற்றையை நிலையாக இயக்கி, உலகில் முதன்முறையாகச் சாதனை படைத்துள்ளனர். இது டாலியன் மேம்பட்ட ஒளி மூலம் (DALS) திட்டத்தின் முக்கிய மைல்கல்லாகும்.
• அடுத்த தலைமுறை அதிதீவிர புறஊதாக் கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர் நிலையமான DALS, இயற்பியல், வேதியியல், உயிரியல் மற்றும் பொருள் அறிவியலின் அதிநவீன ஆராய்ச்சிகளுக்கு மிகுந்த பிரகாசமும் ஒத்திசைவும் கொண்ட ஒளியை வழங்கும் வகையில் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளது.
• ஒளிமின் எதிர்மின் முனை எலக்ட்ரான் துப்பாக்கிகள், அதிவேக லேசர்கள், மீக்கடத்தி முடுக்கிகள் மற்றும் தாழ்வெப்பநிலை அமைப்புகள் ஆகியவற்றில் ஏற்பட்ட முன்னேற்றங்கள் இந்தச் சாதனையைச் சாத்தியமாக்கின. டாலியன் வேதியியல் இயற்பியல் நிறுவனத்துக்கும் ஷென்செனில் உள்ள கூட்டாளர்களுக்கும் இடையிலான ஒத்துழைப்பின் மூலம் இவை உருவாக்கப்பட்டன.
• DALS போன்ற கட்டற்ற-எலக்ட்ரான் லேசர்கள், குறைக்கடத்தி உற்பத்தி மற்றும் தூய்மையான ஆற்றல் தொழில்நுட்பம் உள்ளிட்ட அறிவியல் ஆராய்ச்சி மற்றும் தொழில்துறைப் பயன்பாடுகளில் புரட்சியை ஏற்படுத்துகின்றன.
• மேம்பட்ட ஒளி மூலங்களில் தலைமைத்துவத்தை உறுதிப்படுத்தவும், புத்தாக்கத்தை வளர்க்கவும், அடுத்த தலைமுறை அறிவியல் திறமையாளர்களுக்குப் பயிற்சியளிக்கவும் FEL தொழில்நுட்பத்தில் சீனா உத்திசார் கவனம் செலுத்துகிறது.