Flux-tunable transmon incorporating a van der Waals superconductor via an Al/AlO$_x$/4Hb-TaS$_2$ Josephson junction

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक बहुत ही संवेदनशील वाद्य यंत्र है, एक "क्वांटम गिटार" जिसे ट्रांसमोन (transmon) कहा जाता है, जिसका उपयोग सुपरकंडक्टर्स (वे सामग्रियां जो बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करती हैं) की विचित्र दुनिया का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। आमतौर पर, इस गिटार का वह हिस्सा जो संगीत को दिलचस्प बनाता है—वह "ब्रिज" जहाँ तार कंपन करते हैं—मानक एल्युमीनियम से बना होता है। यह अच्छी तरह से काम करता है, लेकिन यह ऐसा है जैसे आप केवल एक पियानो पर बजा रहे हों; आप अन्य वाद्य यंत्रों की अनूठी ध्वनियाँ नहीं सुन सकते।

यह शोध पत्र वर्णन करता है कि कैसे शोधकर्ताओं ने एक प्रयोग करने की कोशिश की जहाँ उन्होंने मानक एल्युमीनियम ब्रिज को एक नई, विलक्षण सामग्री से बदलने का प्रयास किया जिसे 4Hb-TaS2 कहा जाता है। यह सामग्री एक "वैन डेर वाल्स सुपरकंडक्टर" है, जो एक शानदार तरीका है यह कहने का कि यह एक ऐसा क्रिस्टल है जो परमाणु-पतली परतों से बना है जिन्हें स्टिकर की तरह निकाला जा सकता है। वैज्ञानिक सोचते हैं कि यह सामग्री अजीब, गैर-मानक तरीकों से इलेक्ट्रॉनों के जुड़ने के रहस्यों को छिपा सकती है, जो संभावित रूप से इसके किनारों या चुंबकीय भंवरों (vortices) के भीतर विशेष "भूतिया" अवस्थाओं (ghost states) को छुपाए हुए है।

यहाँ बताया गया है कि उन्होंने क्या किया और उन्हें क्या मिला, सरल उपमाओं का उपयोग करते हुए:

1. एक हाइब्रिड ब्रिज बनाना

शोधकर्ताओं को मानक एल्युमीनियम की दुनिया और विलक्षण 4Hb-TaS2 की दुनिया के बीच एक पुल बनाना था।

• प्रक्रिया: उन्होंने विलक्षण सामग्री के एक टुकड़े (जिसे स्टिकर की तरह निकाला गया था) को लिया और उसके ऊपर एक टनल बैरियर बनाया। कल्पना कीजिए कि आपने एल्युमीनियम की एक बहुत पतली परत बिछाई, उसे नियंत्रित तरीके से थोड़ा जंग लगने दिया ताकि एक अवरोध बन सके (जैसे कांच की एक पतली दीवार), और फिर ऊपर से एल्युमीनियम की एक और परत लगा दी।
• परिणाम: उन्होंने सफलतापूर्वक एक "हाइब्रिड जंक्शन" बना लिया। यह एक दरवाजे के निर्माण जैसा है जो एक मानक घर को एक रहस्यमय, अनोखी गुफा से जोड़ता है। इसके बाद, उन्होंने इस दरवाजे को एक तांबे के बॉक्स (एक 3D कैविटी) के अंदर रखा ताकि यह उनके क्वांटम गिटार के रूप में कार्य कर सके।

2. यंत्र को ट्यून करना

एक वास्तविक गिटार की तरह, वे इस क्वांटम यंत्र को ट्यून करना चाहते थे।

• ट्यूनिंग नॉब: उन्होंने एक चुंबकीय क्षेत्र (magnetic field) का उपयोग ट्यूनिंग नॉब के रूप में किया। जब उन्होंने इस नॉब को घुमाया, तो क्वांटम सिस्टम के "नोट्स" (ऊर्जा स्तर) ऊपर और नीचे खिसक गए, ठीक वैसे ही जैसे एक मानक गिटार का तार कसने पर उसकी पिच बदल जाती है।
• पुष्टि: जिस तरह से नोट्स खिसके, वे इन क्वांटम गिटारों के मानक गणितीय नियमों से पूरी तरह मेल खाते थे। इसने सिद्ध कर दिया कि विलक्षण सामग्री वास्तव में एक कामकाजी क्वांटम सर्किट के रूप में कार्य कर सकती है।

3. गायब ऊर्जा का रहस्य

यहीं से चीजें दिलचस्प और थोड़ी भ्रमित करने वाली हो गईं।

• अपेक्षा: मानक सुपरकंडक्टर्स की दुनिया में, एक प्रसिद्ध नियम (एम्बेगा-बरेटोफ संबंध) है जो एक रेसिपी की तरह काम करता है। यदि आप जानते हैं कि कमरे के तापमान पर सामग्री कितनी बिजली का प्रतिरोध करती है, तो आप सटीक भविष्यवाणी कर सकते हैं कि ठंडे तापमान पर "सुपर-करंट" कितना मजबूत होगा।
• वास्तविकता: जब शोधकर्ताओं ने अपने नए हाइब्रिड ब्रिज के प्रतिरोध को मापा, तो रेसिपी ने एक निश्चित शक्ति की भविष्यवाणी की। लेकिन जब उन्होंने वास्तव में सुपर-करंट की ताकत को मापा, तो यह रेसिपी के अनुसार होने वाली ताकत से पाँच गुना कमजोर था।
• उपमा: यह आटे की एक बोरी को तौलने और एक बहुत बड़ा केक बनाने की उम्मीद करने जैसा है, लेकिन जब आप इसे पकाते हैं, तो केक बहुत छोटा होता है। शोधकर्ताओं को संदेह है कि ऐसा इसलिए है क्योंकि विलistic 4Hb-TaS2 सामग्री की एक जटिल आंतरिक संरचना है (शायद कई "स्वादों" वाली सुपरकंडक्टिविटी या अजीब इलेक्ट्रॉन पेयरिंग) जो मानक रेसिपी को तोड़ देती है।

4. "झिलमिलाती" रोशनी (कोहेरेंस संबंधी मुद्दे)

क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए उपयोगी होने के लिए, इन यंत्रों को अपनी अवस्था (यानी अपना "नोट") को बिना फीके पड़े कुछ समय तक बनाए रखना चाहिए।

• समस्या: शोधकर्ताओं ने यह मापने की कोशिश की कि "नोट" कितनी देर तक बना रहता है। उन्होंने पाया कि ध्वनि बहुत जल्दी फीकी पड़ गई—इससे भी तेज़ कि उनका स्टॉपवॉच क्लिक भी कर सके।
• संख्याएँ: ऊर्जा केवल एक माइक्रोसेकंड के बहुत छोटे हिस्से (0.08 से 0.69 माइक्रोसेकंड) के लिए बनी रही।
• अनुमान: उन्हें संदेह है कि विलक्षण सामग्री "शोरभरी" (noisy) हो सकती है। शायद 4Hb-TaS2 के भीतर कुछ अतिरिक्त, अवांछित कण (क्वासिपार्टिकल्स) हैं जो इधर-उधर कूद रहे हैं और सही ढंग से मापने से पहले ही क्वांटम अवस्था को बेसुरा कर रहे हैं।

5. क्या उन्होंने "भूतिया" अवस्थाओं को खोजा?

इस विलक्षण सामग्री का उपयोग करने का मुख्य कारण उन विशेष "भूतिया" अवस्थाओं (सबगैप मोड्स) को खोजना था जिन्हें वैज्ञानिक मानते हैं कि इस सामग्री के किनारों पर मौजूद होते हैं।

• परिणाम: इस विशिष्ट सेटअप में, उन्हें ये भूतिया अवस्थाएं नहीं मिलीं।
• क्यों? शोधकर्ताओं का मानना है कि बिजली जिस "रास्ते" से गई वह बहुत चौड़ा था। बजाय इसके कि बिजली को उन किनारों के साथ चलने के लिए मजबूर किया जाए जहाँ भूत छिपे हो सकते हैं, बिजली ने सामग्री के बीच (बल्क) से एक शॉर्टकट ले लिया, जिससे किनारे के संकेतों दब गए।
• निष्कर्ष: भले ही उन्हें इस बार भूत नहीं मिले, लेकिन उन्होंने यह साबित कर दिया कि आप इस सामग्री के साथ एक कामकाजी क्वांटम सर्किट बना सकते हैं। यह यह साबित करने जैसा है कि आप एक गुफा में कार चला सकते हैं; अब चूंकि रास्ता खुला है, भविष्य के प्रयोग यह देखने के लिए अधिक सटीक पथ बना सकते हैं कि अंदर क्या छिपा है।

सारांश

संक्षेप में, शोध पत्र कहता है: "हमने एक नई, विलक्षण सामग्री का उपयोग करके एक क्वांटम सर्किट सफलतापूर्वक बनाया। यह काम करता है, इसे ट्यून किया जा सकता है, और यह एक मानक क्वांटम गिटार की तरह व्यवहार करता है। हालाँकि, यह हमारी मानक रेसिपी की तुलना में अजीब व्यवहार करता है (ऊर्जा अपेक्षित से कम है), और यह बहुत तेज़ी से अपनी 'याददाश्त' खो देता है। हमें अभी तक वे विशेष किनारे के अवस्थाएँ (edge states) नहीं मिली हैं जिन्हें हम ढूंढ रहे थे, संभवतः क्योंकि हमारा डिज़ाइन बहुत व्यापक था, लेकिन हमने भविष्य के प्रयोगों के लिए मार्ग प्रशस्त कर दिया है ताकि वे और करीब से देख सकें।"