Generation of Coherent Quantum Light from a Single Impurity-Bound Exciton
यह शोध पत्र ZnSe में एक अनुनाद-संचालित (resonantly driven) एकल अशुद्धि-बद्ध एक्सिटोन (single impurity-bound exciton) से सुसंगत क्वांटम प्रकाश के सृजन को प्रदर्शित करता है, जो उच्च डेबाई-वॉलर कारक (Debye-Waller factor) उत्सर्जन प्राप्त करता है और भविष्य के सुसंगत स्पिन एवं ऑप्टिकल नियंत्रण के लिए उत्सर्जक के चार्ज को स्थिर करने की एक विधि स्थापित करता है।
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एक ऐसे भविष्य के इंटरनेट के निर्माण की खोज में जो मौलिक रूप से सुरक्षित हो और वर्तमान कंप्यूटरों की पहुंच से परे समस्याओं को हल करने में सक्षम हो, वैज्ञानिक प्रकाश की सबसे छोटी संभव इकाइयों की ओर मुड़ रहे हैं। ये इकाइयाँ, जिन्हें फोटॉन के रूप में जाना जाता है, सूचना को 'कोहेरेंस' (सहिरता) नामक एक नाजुक संतुलन की स्थिति में ले जा सकती हैं, जहाँ उनके तरंग-सदृश गुण पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ होते हैं। इस सिद्धांत पर आधारित एक नेटवर्क बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को एक विश्वसनीय स्रोत की आवश्यकता है जो इन फोटॉनों को मांग के अनुसार, एक-एक करके उत्सर्जित कर सके, जबकि उनकी क्वांटम अवस्था बरकरार रहे। इस भूमिका के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार एक ठोस क्रिस्टल के भीतर एक सूक्ष्म दोष है, विशेष रूप से एक अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) सामग्री के भीतर फंसा हुआ एक परमाणु। जब प्रकाश इस फंसे हुए परमाणु से टकराता है, तो यह इलेक्ट्रॉन के साथ एक बंधित जोड़ा बना सकता है, जिससे 'एक्सिटोन' नामक कण बनता है। यदि इस जोड़े को एक विशिष्ट अशुद्धि परमाणु द्वारा मजबूती से पकड़ा जाता है, तो यह एक स्थिर, चमकीले प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य कर सकता है। हालाँकि, उन्नत क्वांटम नेटवर्क के लिए उपयोगी होने के लिए, इन्हें एक ऐसे लेजर द्वारा संचालित किया जाना चाहिए जो उनकी ऊर्जा से बिल्कुल मेल खाता हो, जिसे 'रेजोनेंट एक्साइटेशन' (अनुनाद उत्तेजना) नामक तकनीक कहा जाता है। कुछ सामग्रियों में इस विधि का उपयोग करने के पिछले प्रयास अक्सर विफल रहे क्योंकि लेजर का प्रकाश परमाणु के धुंधले संकेत को दबा देता था, या क्योंकि परमाणु अपना आवेश खो देता था और चमकना बंद कर देता था।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने जिंक सेलेनाइड के क्रिस्टल में एक एकल अशुद्धि-बद्ध एक्सिटोन से सुसंगत (कोहेरेंट) क्वांटम प्रकाश उत्पन्न करने का एक तरीका सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है। सामग्री के एक सूक्ष्म स्तंभ (नैनोपिलर) को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके और एक सटीक लेजर ट्यूनिंग पद्धति का उपयोग करके, वे परमाणु के भीतर स्थित एक क्लोरीन परमाणु को प्रकाश की एक स्थिर, क्वांटम धारा के साथ चमकाने में सफल रहे। प्रयोग ने दिखाया कि जब लेजर को परमाणु के लिए आवश्यक सटीक ऊर्जा पर ट्यून किया जाता है, तो परिणामी प्रकाश स्वयं लेजर के साथ एक पूर्ण चरण संबंध (फेज रिलेशनशिप) बनाए रखता है, जो लंबी दूरी तक क्वांटम सूचना भेजने के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रकाश स्रोत उल्लेखनीय रूप से कुशल है, जिसमें उत्सर्जित ऊर्जा का लगभग सारा हिस्सा क्रिस्टल के भीतर कंपन के रूप में नष्ट होने के बजाय एक तीक्ष्ण, साफ रंग के रूप में दिखाई देता है। उन्होंने यह भी पाया कि प्रकाश के प्रहार होने पर परमाणु एक अनुमानित तरीके से व्यवहार करता है, जिससे उन्हें एक दूसरा, कमजोर लेजर थोड़े समय के लिए लगाकर प्रकाश उत्सर्जन को अत्यधिक गति से चालू या बंद करने की अनुमति मिलती है। यह कार्य सिद्ध करता है कि जिंक सेलेनाइड में ये विशिष्ट दोषों को भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है, जो क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक उज्ज्वल और स्थिर मार्ग प्रदान करता है।
इस परिणाम तक की यात्रा एक विशिष्ट सामग्री के साथ शुरू हुई: गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) आधार पर विकसित जिंक सेलिनाइड की एक पतली परत। इस परत के भीतर, शोधकर्ताओं ने एक एकल क्लोरीन परमाणु रखा, जो एक्सिटोन के लिए एक ट्रैप के रूप में कार्य करता है। इस नन्हे ट्रैप को दृश्यमान और कुशल बनाने के लिए, उन्होंने क्रिस्टल को एक सूक्ष्म स्तंभ में तराशा, जो केवल कुछ सौ नैनोमीटर चौड़ा था, और इसे एक विशेष कांच जैसी सामग्री से बने छोटे लेंस से ढंक दिया। यह संरचना एक कीप (फनल) की तरह कार्य करती है, जो एकल परमाणु द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को एकत्र करती है और उसे डिटेक्टर की ओर निर्देशित करती है। टीम ने पूरे उपकरण को 3.2 केल्विन के अत्यंत ठंडे तापमान तक ठंडा किया, जो परम शून्य से केवल कुछ डिग्री ऊपर है, ताकि उन थर्मल कंपनों को शांत किया जा सके जो अन्यथा नाजुक क्वांटम संकेतों को बिखेर सकते थे।
मुख्य चुनौती परमाणु को उसके संकेत को दबाए बिना उत्तेजित करने की थी। पिछले प्रयोगों में, वैज्ञानिकों ने सामग्री को पंप करने के लिए एक व्यापक, उच्च-ऊर्जा वाले लेजर का उपयोग किया था, जो काम तो करता था लेकिन इससे निकलने वाला प्रकाश अस्थिर था और इसमें क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक सटीक समय की कमी थी। नए दृष्टिकोण के लिए एक ऐसे लेजर की आवश्यकता थी जिसे परमाणु के संक्रमण की सटीक ऊर्जा पर टuned किया जा सके। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली स्थापित की जहाँ एक ट्यूनेबल लेजर, जिसका रंग अत्यधिक सटीकता के साथ समायोजित किया जा सकता था, नैनोपिलर पर चलाया गया। परमाणु के धुंधले प्रकाश को लेजर के अंधाधुंध परावर्तन से अलग करने के लिए, उन्होंने पोलराइजेशन (ध्रुवीकरण) से जुड़ी एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। प्रकाश तरंगों की दिशा को घुमाकर, वे परावर्तित लेजर प्रकाश को फ़िल्टर कर सके जबकि परमाणु के उत्सर्जन को गुजरने दिया, जिससे स्पष्टता का एक ऐसा स्तर प्राप्त हुआ जो पहले कठिन था।
जब उन्होंने लेजर को क्लोरीन-बद्ध एक्सिटोन की सटीक ऊर्जा पर ट्यून किया, तो परमाणु एक स्थिर, चमकीले प्रकाश के साथ चमकने लगा। शोधकर्ताओं ने इस प्रकाश को मापा और पाया कि यह केवल प्रकाश का एक यादृच्छिक विस्फोट नहीं था, बल्कि एक सुसंगत धारा थी जिसने ड्राइविंग लेजर के फेज को संरक्षित किया। इसका अर्थ है कि प्रकाश तरंगें उस लेजर के साथ तालमेल में थीं जिसने उन्हें बनाया था, जो उन्नत संचार के लिए एंटेंगल्ड स्टेट्स और लाइट स्क्वीजिंग बनाने हेतु एक आवश्यक गुण है। उन्होंने यह भी देखा कि प्रकाश अविश्वसनीय रूप से शुद्ध था, जिसमें एक विशिष्ट अनुपात में साफ, तीक्ष्ण उत्सर्जन और शोर वाले, कंपन-प्रेरित साइडबैंड्स थे। प्रकाश के स्पेक्ट्रम का विश्लेषण करके, उन्होंने 'डेबाय-वॉलर फैक्टर' नामक मान की गणना की, जो 0.94 निकला। यह संख्या दर्शाती है कि 94 प्रतिशत प्रकाश वांछित तीक्ष्ण रंग में उत्सर्जित होता है, जो ठोस-अवस्था के प्रकाश स्रोतों के लिए दर्ज किए गए उच्चतम आंकड़ों में से एक है।
टीम ने यह भी जांचा कि लेजर के प्रहार होने पर समय के साथ परमाणु कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने पाया कि अनुनादी प्रकाश (रेजोनेंट लाइट), परमाणु को उत्तेजित करने के साथ-साथ, एक दुष्प्रभाव भी रखता था: यह परमाणु को उसके आवेशित अवस्था से बाहर धकेल सकता था, जिससे वह चमकना बंद कर देता था। यह प्रक्रिया माइक्रोसेकंड के भीतर तेजी से हुई, लेकिन शोधकर्ताओं ने इसे ठीक करने का एक तरीका खोज लिया। एक दूसरा, कमजोर लेजर, जो परमाणु के रेजोनेंस के अनुरूप नहीं था, उसे थोड़े समय के लिए चलाकर, वे परमाणु को पुनः चार्ज कर सके और उसकी प्रकाश उत्सर्जित करने की क्षमता को बहाल कर सके। यह रिकवरी 10 नैनोसेकंड से भी कम समय में हुई, जो प्रकाश स्रोत को तेजी से स्विच करने के लिए पर्याप्त समय है। प्रकाश को इतनी गति और विश्वसनीयता के साथ चालू और बंद करने की यह क्षमता बताती है कि इन अशुद्धियों का उपयोग भविष्य के क्वांटम सर्किट में स्विच के रूप में किया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने यह पुष्टि की कि वे जिस प्रकाश को देख रहे थे वह एक एकल स्रोत से आया था, इसके लिए उन्होंने डिटेक्टरों तक फोटॉनों के पहुंचने के तरीके को मापा। उन्होंने पाया कि फोटॉन एक-एक करके पहुंचे, कभी भी जोड़ों में नहीं, जो कि एक वास्तविक सिंगल-फोटॉन उत्सर्जक की पहचान है। उन्होंने यह भी मानचित्रित किया कि लेजर पावर को समायोजित करने पर प्रकाश की तीव्रता कैसे बदलती है, जिससे एक नॉन-लीनियर रिस्पॉन्स देखा गया जहाँ प्रकाश बहुत कम पावर पर अलग तरह से व्यवहार करता है। यह व्यवहार इन उत्सर्जकों का उपयोग केवल कुछ फोटॉनों के साथ काम करने वाले ऑप्टिकल गेट्स बनाने की क्षमता की ओर संकेत करता है, जो क्वांटम कंप्यूटरों के लिए लॉजिक गेट्स बनाने की दिशा में एक प्रमुख कदम है।
पूरे अध्ययन के दौरान, शोधकर्ताओं ने अपने अवलोकनों के लिए कई वैकल्पिक स्पष्टीकरणों को खारिज कर दिया। उन्होंने प्रदर्शित किया कि प्रकाश के रंग का विस्तार लेजर की शक्ति के कारण नहीं, बल्कि परमाणु के आसपास के विद्युत वातावरण में सूक्ष्म उतार-चढ़ाव के कारण था। उन्होंने यह भी दिखाया कि सिग्नल का नुकसान केवल परमाणु की ऊर्जा समाप्त होने के कारण नहीं था, बल्कि एक विशिष्ट प्रक्रिया के कारण था जहाँ परमाणु ने पास के ट्रैप्स को अपना आवेश दे दिया था। इन संभावनाओं का व्यवस्थित परीक्षण करके, उन्होंने इस प्रणाली के कार्य करने की एक स्पष्ट तस्वीर बनाई। परिणाम बताते हैं कि क्लोरीन अशुद्धियों वाला जिंक सेलिनाइड सुसंगत क्वांटम प्रकाश उत्पन्न करने के लिए एक मजबूत मंच है, जो उच्च दक्षता के साथ विद्युत और ऑप्टिकल नियंत्रण की क्षमता को जोड़ता है। यह कार्य पदार्थ की क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करने के लिए उपकरणों का एक नया सेट प्रदान करता है, जो जटिल क्वांटम नेटवर्किंग और सूचना प्रसंस्करण के लिए मार्ग प्रशस्त करता है।
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