Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity
यह शोध पत्र एक एकीकृत नैनोफोटोनिक प्लेटफॉर्म प्रस्तुत करता है जो उच्च-घनत्व वाले NV-सेंटर डायमंड से निर्मित मोनोलिथिक विस्परिंग-गैलरी-मोड कैविटीज़ का उपयोग करता है और टेपर्ड फाइबर्स के माध्यम से जुड़ा हुआ है, जो माइक्रोमीटर-स्केल स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और कम-शक्ति संचालन को बनाए रखते हुए 58 nT/√Hz की रिकॉर्ड-ब्रेकिंग फोटॉन-शॉट-नॉइज़-लिमिटेड DC संवेदनशीलता प्राप्त करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हम बिना किसी विषय को छुए, एक एकल कोशिका के अदृश्य चुंबकीय संकेतों को देख सकें, या एक न्यूरॉन के माध्यम से बहने वाली सूक्ष्म विद्युत धाराओं का मानचित्र बना सकें। यह क्वांटम सेंसिंग का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो क्वांटम दुनिया के अजीब और नाजुक नियमों का उपयोग करके ऐसे डिटेक्टर बनाने के लिए किया जाता है जो आज हमारे पास मौजूद किसी भी चीज़ से कहीं अधिक संवेदनशील हैं। इस क्रांति के केंद्र में हीरे में मौजूद सूक्ष्म दोष हैं, जिन्हें नाइट्रोजन-वैकेंसी (nitrogen-vacancy) केंद्र कहा जाता है। इन्हें हीरे के परमाणु ग्रिड में गायब टुकड़ों के रूप में समझें जिन्होंने एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन को फँसा लिया है, जिससे वह स्थान एक सूक्ष्म मैग्नेटोमीटर बन गया है जो अविश्वसनीय सटीकता के साथ चुंबकीय क्षेत्रों को महसूस कर सकता है। ये सेंसर कमरे के तापमान पर भी काम करते हैं, जो क्वांटम उपकरणों के लिए एक दुर्लभ उपलब्धि है, और इन्हें इतना छोटा बनाया जा सकता है कि वे सैद्धांतिक रूप से एक एकल अणु के चुंबकीय क्षेत्र को माप सकें। हालाँकि, एक लंबे समय से चली आ रही समस्या ने उन्हें पीछे धकेल रखा है: पर्याप्त मजबूत संकेत प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों को आमतौर पर इन दोषों के एक बड़े समूह को देखने की आवश्यकता होती है, लेकिन एक बड़े समूह को देखने से चित्र धुंधला हो जाता है, जिससे सूक्ष्म विवरण देखना असंभव हो जाता है। इसके विपरीत, केवल एक दोष को देखने से एक स्पष्ट चित्र मिलता है लेकिन संकेत बहुत कमजोर होता है।
कैलगरी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विरोधाभास को तोड़ने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक प्रकार का नया सेंसर बनाया है जो एक छोटे सेंसर की तीक्ष्णता और एक बड़े समूह की शक्ति को जोड़ता है। उन्होंने हीरे के एक ऐसे चिप का उपयोग किया जिसमें नाइट्रोजन-वैकेंसी केंद्रों का उच्च घनत्व था और उसे एक सूक्ष्म डिस्क के रूप में तराशा, जो एक मानव बाल जितना चौड़ा भी नहीं है। यह डिस्क प्रकाश के लिए एक 'विस्परिंग गैलरी' (whispering gallery) की तरह कार्य करती है, जो फोटोन को एक घेरे में कैद करती है ताकि वे बाहर निकलने से पहले कई बार टकराकर घूमते रहें। इस डिस्क के किनारे के करीब एक पतला, टेपर्ड ऑप्टिकल फाइबर लाकर, वे बिना किसी भारी लेंस या दर्पण के इसमें प्रकाश प्रवाहित करने और बाहर आने वाले प्रकाश को एकत्र करने में सक्षम हुए। इस सेटअप ने उन्हें एक ही समय में हजारों हीरे के दोषों को उत्तेजित करने की अनुमति दी, जबकि उनका सेंसिंग क्षेत्र अविश्वसनीय रूप से छोटा रहा। परिणाम स्वरूप, उन्हें एक ऐसा उपकरण मिला जो अत्यधिक संवेदनशील है और माइक्रोमीटर के पैमाने पर विवरण देखने में सक्षम है, और यह सब बहुत कम लेजर प्रकाश की शक्ति के साथ और एक एकल फाइबर के माध्यम से बाहरी दुनिया से जुड़कर संभव हुआ।
शोधकर्ताओं ने इस नए प्लेटफॉर्म का परीक्षण करने के लिए 'रेमसे मैग्नेटोमेट्री' (Ramsey magnetometry) नामक तकनीक का उपयोग किया, जिसमें हीरे के इलेक्ट्रॉनों की अवस्था को पढ़ने के लिए प्रकाश और माइक्रोवेव के सटीक पल्स का उपयोग किया जाता है। उन्होंने पाया कि उनका उपकरण 58 नैनोटेस्ला प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ की संवेदनशीलता के साथ चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगा सकता है। यह नैनोफैब्रिकेशन तकनीकों का उपयोग करके चिप पर बने मैग्नेटोमीटर के लिए अब तक की सबसे संवेदनशील माप है। इसे समझने के लिए, जबकि यह अभी भी एक एकल परमाणु के सबसे सूक्ष्म चुंबकीय संकेतों का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील नहीं है, यह एक ऐसे उपकरण के लिए एक बड़ी छलांग है जो इतना छोटा और एकीकृत है। टीम ने दिखाया कि उपकरण केवल प्रकाश कणों के मौलिक शोर (noise) द्वारा सीमित है, जिसका अर्थ है कि यह वर्तमान डिज़ाइन के साथ भौतिकी द्वारा अनुमति दी गई सर्वोत्तम क्षमता के साथ प्रदर्शन कर रहा है। उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि सूक्ष्म डिस्क के भीतर हीरे के दोष आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक अपनी क्वांटम अवस्था को बनाए रख सकते हैं, यहाँ तक कि डिस्क को तराशने की कठोर प्रक्रिया के बाद भी, जो यह सुझाव देता है कि उपकरण वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है।
इस उपलब्धि को विशेष रूप से महत्वपूर्ण बनाने वाली बात यह है कि यह समस्या को स्केल करने (बढ़ाने) के तरीके को कैसे हल करती है। इन सेंसरों को छोटा बनाने के पिछले प्रयासों में अक्सर जटिल, स्वतंत्र रूप से खड़े ऑप्टिकल उपकरण आवश्यक थे जो उपयोग करने या अन्य प्रणालियों में एकीकृत करने में कठिन थे। यह नया डिज़ाइन, जो सेंसर से संवाद करने के लिए एक फाइबर का उपयोग करता है, एक ही चिप पर इन उपकरणों के समूह (arrays) बनाने का मार्ग प्रशता करता है। एक ऐसे भविष्य की कल्पना करें जहाँ सैकड़ों ऐसे सेंसरों से ढका हुआ एक माइक्रोचिप, एक सूक्ष्म चैनल के माध्यम से बहने वाले जैविक नमूने के चुंबकीय क्षेत्रों का मानचित्र बना सके, या जहाँ एक कॉम्पैक्ट डिवाइस कंप्यूटर चिप पर चुंबकीय पैटर्न को अभूतपूर्व विवरण के साथ चित्रित कर सके। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उपकरण यांत्रिक रूप से मजबूत है और तरल पदार्थों से धोने में जीवित रह सकता है, जो इसे जीवित कोशिकाओं या तरल पदार्थों के अध्ययन के लिए उपयुक्त बनाता है। हालांकि वर्तमान संस्करण में प्रकाश एकत्र करने की दक्षता में सुधार की गुंजाइश अभी भी है, लेकिन आगे का रास्ता स्पष्ट है। प्रकाश को हीरे में जोड़ने के तरीके को परिष्कृत करके और यहाँ तक कि और भी शुद्ध हीरे की सामग्री का उपयोग करके, संवेदनशीलता संभावित रूप से सौ गुना और सुधर सकती है, जो हमें पानी की एक बूंद से भी छोटे नमूनों पर परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी (NMR spectroscopy) करने की क्षमता के करीब ले जाती है।
इस कार्य ने यह भी खुलासा किया कि इन सूक्ष्म डिस्क को बनाने की प्रक्रिया ने हीरे के नाजुक क्वांटम गुणों को उतनी क्षति नहीं पहुँचाई जितनी आशंका थी। यह मापने के लिए कि क्वांटम अवस्थाएँ कितनी देर तक रहीं, टीम ने पुष्टि की कि निर्माण प्रक्रिया ने सामग्री में बहुत कम तनाव (strain) उत्पन्न किया। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि तनाव सेंसर की सटीक माप करने की क्षमता को खराब कर सकता है। उन्होंने पाया कि डिस्क के भीतर के दोष लगभग उसी तरह व्यवहार करते हैं जैसे कि वे हीरे के एक बड़े, बिना कटे टुकड़े में करेंगे, जो यह सिद्ध करता है कि नैनोफैब्रिकेशन तकनीकें उच्च-परिशुद्धता क्वांटम सेंसिंग के अनुकूल हैं। टीम ने पृष्ठभूमि के शोर को छानने के लिए एक 'लॉक-इन एम्प्लीफिकेशन' तकनीक का उपयोग किया, जिससे उन्हें एक शोर भरे वातावरण में भी एक स्पष्ट संकेत निकालने में मदद मिली। यह विधि, कम शक्ति वाले लेजर के उपयोग की क्षमता के साथ मिलकर, यह सुनिश्चित करती है कि सेंसर उन नाजुक नमॉक्सों को गर्म किए या नुकसान पहुँचाए बिना काम कर सके जिनका यह अध्ययन करने के लिए बनाया गया है।
आगे देखते हुए, शोधकर्ता एक ऐसे भविष्य को देखते हैं जहाँ ये सेंसर केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासाएँ नहीं बल्कि जीव विज्ञान और सामग्री विज्ञान के लिए व्यावहारिक उपकरण होंगे। चूंकि सेंसर बहुत छोटा है और इसे नमूने के बहुत करीब रखा जा सकता है, इसलिए इसका उपयोग हृदय या तंत्रिका ऊतकों द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्रों को उस रिज़ॉल्यूशन के साथ मापने के लिए किया जा सकता है जो वर्तमान में असंभव है। इन सेंसरों को चिप पर अन्य फोटोनिक घटकों के साथ एकीकृत करने की क्षमता का अर्थ है कि इनका बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है और पोर्टेबल उपकरणों में उपयोग किया जा सकता है। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह प्लेटफॉर्म अगली पीढ़ी की क्वांटम सेंसिंग की ओर एक बड़ा कदम है, जो आकार, संवेदनशीलता और एकीकरण की क्षमता का एक ऐसा संयोजन प्रदान करता है जो पहले कभी नहीं देखा गया है। एक फाइबर-कपल्ड, ऑन-चिप डायमंड कैविटी इतनी उच्च संवेदनशीलता प्राप्त कर सकती है, यह सिद्ध करके, टीम ने उपकरणों के एक नए वर्ग के लिए ब्लूप्रिंट प्रदान किया है जो हमारे आसपास की चुंबकीय दुनिया को देखने के हमारे तरीके को बदल सकता है।
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