Temporal coherence of single photons emitted by hexagonal Boron Nitride defects at room temperature
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जबकि हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड दोष कमरे के तापमान पर एकल फोटॉन उत्सर्जित करते हैं, उनकी लौकिक सुसंगतता (temporal coherence) तीव्र फोनन डीफेजिंग प्रक्रियाओं द्वारा गंभीर रूप से सीमित है, जो यह संकेत देता है कि फोटॉन हस्तक्षेप पर निर्भर रहने वाले व्यवहार्य क्वांटम फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए क्रायोजेनिक तापमान आवश्यक है।
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क्वांटम भौतिकी के विचित्र नियमों पर आधारित एक नए प्रकार की तकनीक बनाने की खोज में, वैज्ञानिक प्रकाश के एकल कणों के विश्वसनीय स्रोतों की तलाश कर रहे हैं। ये स्रोत अल्ट्रा-सुरक्षित संचार और शक्तिशाली कंप्यूटिंग जैसे कार्यों के लिए आवश्यक हैं, जहाँ सूचना बिजली की धाराओं के बजाय व्यक्तिगत फोटॉन द्वारा ले जाई जाती है। इन प्रणालियों के कार्य करने के लिए, फोटॉन न केवल एक-एक करके उत्सर्जित होने चाहिए, बल्कि उन्हें एक-दूसरे के समान भी होना चाहिए, जो एक तालाब में लहरों की तरह ओवरलैप और हस्तक्षेप (interfere) करने में सक्षम हों। एक साथ तालमेल बनाए रखने की इस क्षमता को, जिसे टेम्पोरल कोहेरेंस (temporal coherence) कहा जाता है, क्वांटम नेटवर्क की क्षमता को अनलॉक करने वाली कुंजी माना जाता है। हालाँकि कुछ सामग्रियाँ इन पूर्ण फोटॉनों का उत्पादन कर सकती हैं, लेकिन उन्हें कार्य करने के लिए अक्सर अत्यधिक ठंड की आवश्यकता होती है, जो उन्हें रोजमर्रा के उपयोग के लिए अव्यावहारिक बनाती है। हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड, एक ऐसी सामग्री जो कागज के एक एकल शीट जितनी पतली है, एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरी है क्योंकि यह कमरे के तापमान पर प्रकाश उत्सर्जित कर सकती है, जो ऐसे क्वांटम उपकरणों की ओर मार्ग प्रशस्त करती है जिन्हें भारी रेफ्रिजरेशन की आवश्यकता नहीं होती।
शोधकर्ताओं के एक दल ने यह परीक्षण करने के लिए कि क्या ये कमरे के तापमान वाले उत्सर्जक वास्तव में क्वांटम हस्तक्षेप की सख्त मांगों को पूरा कर सकते हैं। उन्होंने हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड के क्रिस्टल के भीतर सूक्ष्म दोषों (defects) पर ध्यान केंद्रित किया, जो एकल फोटॉन के प्राकृतिक स्रोत के रूप में कार्य करते हैं। वैज्ञानिक यह मापना चाहते थे कि प्रकाश इन दोषों से कितनी देर तक सुसंगत (coherent), या अपने साथ तालमेल में रहता है, इससे पहले कि सामग्री के परमाणुओं के अराजक कंपन सिग्नल को बाधित कर दें। ऐसा करने के लिए, उन्होंने ऑप्टिक्स के एक क्लासिक उपकरण, मिशेलसन इंटरफेरोमीटर (Michelson interferometer) का उपयोग किया, जो प्रकाश की एक बीम को दो पथों में विभाजित करता है और फिर उन्हें पुन: संयोजित करता है। एक पथ की लंबाई को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे प्रकाश की बीम के दो हिस्सों के बीच एक सूक्ष्म विलंब (delay) उत्पन्न कर सकते थे। यदि फोटॉन पूरी तरह से सुसंगत हैं, तो वे एक दृश्य चमकीली और अंधेरी पट्टियों (bands) का पैटर्न बनाने के लिए एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करेंगे। यदि कोहेरेंस खो जाता है, तो यह पैटर्न गायब हो जाता है।
प्रयोगों ने कमरे के तापमान पर इन उत्सर्जकों के व्यवहार के बारे में एक कठोर वास्तविकता का खुलासा किया। जब शोधकर्ताओं ने केवल कुछ सौ फेंटोसेकंड (femtoseconds) का विलंब पेश किया—एक ऐसा समय पैमाना जो इतना छोटा है कि यह एक क्वाड्रिलियनवां सेकंड का हिस्सा है—तो हस्तक्षेप पैटर्न पूरी तरह से गायब हो गया। कोहेरेंस के इस तीव्र नुकसान का अर्थ था कि क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं के कंपन, जिन्हें फोनोन (phonons) कहा जाता है, प्रकाश को लगभग तुरंत बाधित कर रहे थे। अध्ययन में पाया गया कि ये विघटनकारी प्रक्रियाएं उस समय से चार गुना अधिक तेजी से (four orders of magnitude faster) होती हैं, जो दोष द्वारा स्वाभाविक रूप से फोटॉन उत्सर्जित करने में लगने वाला समय है। सरल शब्दों में, प्रकाश हस्तक्षेप करने की अपनी क्षमता खो देता है, इससे पहले कि परमाणु ने उसे छोड़ने का काम पूरा भी किया हो। शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि दोषों को उत्तेजित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर का रंग इस व्यवहार को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि जबकि लेजर का रंग बदलने से चमक और उत्सर्जित प्रकाश का विशिष्ट मिश्रण बदल गया, लेकिन इसने कमरे के तापमान वाले वातावरण के कारण होने वाले ताप और कंपनों से होने वाले कोहेरेंस के तीव्र नुकसान को महत्वपूर्ण रूप से धीमा नहीं किया।
टीम ने यह भी पुष्टि की कि ये दोष वास्तव में एकल-फोटॉन स्रोत हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक समय में प्रकाश के कण छोड़ते हैं, जो क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए एक मौलिक आवश्यकता है। हालाँकि, कोहेरेंस के खोने की गति यह सुझाव देती है कि इलेक्ट्रॉन और कंपन करते क्रिस्टल लैटिस के बीच की मजबूत अंतःक्रिया (interaction) प्रमुख कारक है। कमरे के तापमान पर यह अंतःक्रिया इतनी शक्तिशाली है कि यह प्रभावी रूप से फोटॉन हस्तक्षेप पर आधारित प्रोटोकॉल के उपयोग को रोकती है, जैसे कि कणों के उलझे हुए जोड़े (entangled pairs) बनाना। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि ये दोष कुछ प्रकार के क्वांटम संचार के लिए पर्याप्त चमकीले और स्थिर हैं जिनमें हस्तक्षेप की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन कमरे के तापमान पर अधिक उन्नत क्वांटम कंप्यूटिंग कार्यों के लिए इनका उपयोग करने का सपना अभी भी पहुंच से बाहर है।
अंततः, अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इन हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड दोषों की पूर्ण क्षमता का लाभ उठाने के लिए, वातावरण को काफी ठंडा करना आवश्यक है। देखा गया तीव्र डीफेजिंग (dephasing) थर्मल ऊर्जा का सीधा परिणाम है जो कमरे के तापमान पर मौजूद है, जो क्रिस्टल लैटिस को उत्तेजित करती है। लेखक सुझाव देते हैं कि भविष्य के कार्य क्रायोजेनिक तापमान पर ऑप्टिकल कैविटीज में इन दोषों को रखने पर केंद्रित होने चाहिए, जहाँ कंपन जम जाते हैं, जिससे फोटॉन जटिल क्वांटम संचालन के लिए उपयोगी होने तक अपनी कोहेरेंस बनाए रख सकें। फिलहाल, ये निष्कर्ष एक स्पष्ट सीमा मार्कर के रूप में कार्य करते हैं: हालांकि हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड कमरे के तापमान पर प्रकाश उत्सर्जन के लिए एक आकर्षक सामग्री है, लेकिन इसका वर्तमान रूप अत्यधिक ठंड की सहायता के बिना सबसे मांग वाले हस्तक्षेप-आधारित क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए समाधान नहीं है।
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