Discrete states and ballistic interference in quantum wires approaching macroscopic lengths
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि 1,000 के करीब पहलू अनुपात (aspect ratios) वाले 1D क्वांटम वायर, 18 m की लंबाई तक पूर्णतः बैलिस्टिक सुसंगत व्यतिकरण (ballistic coherent interference) और विविक्त क्वांटम अवस्थाएं प्रदर्शित कर सकते हैं, जो प्रभावी रूप से सूक्ष्म क्वांटम प्रणालियों और स्थूल पैमानों के बीच के अंतर को पाटते हैं।
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क्वांटम प्लेग्राउंड: जहाँ नन्हे कण बड़े खेल खेलते हैं
एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ रोज़मर्रा के जीवन के नियम टूटने लगते हैं। हमारी स्थूल (मैक्रोस्कोपिक) दुनिया में, यदि आप एक गेंद फेंकते हैं, तो वह एक सुचारू, अनुमानित पथ का अनुसरण करती है। लेकिन उस गेंद को एक परमाणु के आकार तक छोटा कर दें, और वह एक ठोस वस्तु की तरह व्यवहार करना बंद कर देती है और एक तरंग (वेव) की तरह व्यवहार करने लगती है। यह क्वांटम मैकेनिक्स का क्षेत्र है, जो बहुत छोटी चीजों की भौतिकी है। इस अजीब दुनिया में, कण एक साथ कई स्थानों पर मौजूद हो सकते हैं, एक तालाब में लहरों की तरह एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (इंटरफेयर) कर सकते हैं, और एक ढलान पर सुचारू रूप से ऊपर जाने के बजाय विशिष्ट ऊर्जा "चरणों" (स्टेप्स) में अटक सकते हैं।
आमतौर पर, ये जादुई क्वांटम प्रभाव अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। जैसे ही सिस्टम बहुत बड़ा, बहुत गर्म या बहुत अव्यवस्थित होता है, वे गायब हो जाते हैं। यह एक तूफान में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करने जैसा है; वातावरण का शोर (जिसे "डिकोहेरेंस" कहा जाता है) नाजुक क्वांटम संकेतों को दबा देता है। वैज्ञानिक लंबे समय से सोच रहे हैं: एक क्वांटम सिस्टम अपनी जादुगरिक शक्ति खोने से पहले कितना बड़ा हो सकता है? क्या हम एक ऐसी क्वांटम मशीन बना सकते हैं जो नग्न आंखों से दिखाई दे सके, या इसे सूक्ष्म ही रहना होगा? यह प्रश्न मेसोस्कोपिक भौतिकी के केंद्र में है, जो उन वस्तुओं का अध्ययन है जो सरल परमाणु नियमों द्वारा वर्णित होने के लिए बहुत बड़ी हैं लेकिन साधारण, ठोस वस्तुओं की तरह कार्य करने के लिए बहुत छोटी हैं। इस सेतु को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि हम बड़े सिस्टम में क्वांटम प्रभावों को जीवित रख सकते हैं, तो हम अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली नई तकनीकें बना सकते हैं, सुपर-फास्ट कंप्यूटरों से लेकर अत्यंत संवेदनशील सेंसरों तक।
शोध पत्र: एक क्वांटम तार जो संभावनाओं को चुनौती देता है
इस अध्ययन में, बासेल, हार्वर्ड और प्रिंसटन विश्वविद्यालय के भौतिकविदों की एक टीम ने आकार की सीमाओं को आगे बढ़ाने का निर्णय लिया। उन्होंने क्वांटम तारों (quantum wires) का एक सिस्टम बनाया—एक-आयामी सूक्ष्म चैनल जहाँ इलेक्ट्रॉनों को एक एकल पंक्ति में यात्रा करने के लिए मजबूर किया जाता है। इन तारों को इलेक्ट्रॉनों के लिए सुपर-हाईवे के रूप में सोचें, लेकिन कारों के बजाय, यात्री तरंगें हैं। चुनौती यह है कि ये तार अत्यधिक संवेदनशील होते हैं; सड़क में एक छोटा सा उभार या अशुद्धि भी इलेक्ट्रॉनों को बिखेर सकती है और क्वांटम प्रभावों को बर्बाद कर सकती है।
शोधकर्ताओं ने सेमीकंडक्टर सामग्रियों की परतों का उपयोग करके इन तारों का निर्माण किया, जिसमें बेहद संकीर्ण (20 नैनोमीटर से कम चौड़े) लेकिन आश्चर्यजनक रूप से लंबे पथ बनाए गए। वे 6 µm से लेकर आश्चर्यजनक 18 µm तक की लंबाई वाले तार बनाने में सफल रहे। इसे समझने के लिए, 18 माइक्रोमीटर मानव बाल की चौड़ाई के लगभग बराबर है। हालांकि यह छोटा लग सकता है, लेकिन एक क्वांटम सिस्टम के लिए जो आमतौर पर नैनोमीटर में मापा जाता है, यह एक "मैक्रोस्कोपिक" पैमाने के करीब है—लगभग नग्न आंखों से दिखने योग्य।
मुख्य खोज: एक आदर्श क्वांटम हाईवे
टीम की प्राथमिक खोज यह है कि ये लंबे तार आदर्श, बैलिस्टिक क्वांटम सिस्टम के रूप में कार्य करते हैं। "बैलिस्टिक" का अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन तार के माध्यम से बिना किसी चीज़ से टकराए यात्रा करते हैं, जैसे निर्वात में उड़ती हुई एक गोली। तारों के 18 µm लंबे होने के बावजूद, इलेक्ट्रॉनों ने पूरी दूरी में अपनी क्वांटम "कोहेरेंस" (तरंग की तरह कार्य करने की क्षमता) बनाए रखी।
इसे सिद्ध करने के लिए, उन्होंने मोमेंटम-रिज़ॉल्व्ड टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग किया। दो समानांतर रेल पटरियों (तारों) की कल्पना करें जो एक छोटे से अंतराल से अलग हैं। इलेक्ट्रॉन एक ट्रैक से दूसरे ट्रैक पर "टनल" (कूद) सकते हैं, लेकिन केवल तभी जब उनकी गति और दिशा पूरी तरह से मेल खाती हो। एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, शोधकर्ता इलेक्ट्रॉनों को मेल खाने के लिए प्रेरित कर सके। जब उन्होंने ऐसा किया, तो उन्हें एक उज्ज्वल संकेत मिला।
उन्होंने जो पाया वह हस्तक्षेप का एक जटिल, सुंदर पैटर्न था, जैसे साबुन के बुलबुले पर दिखने वाले रंगीन भंवर। ये पैटर्न तार की सीमित लंबाई के भीतर इलेक्ट्रॉनों के आगे-पीछे टकराने और स्वयं के साथ हस्तक्षेप करने के कारण उत्पन्न हुए थे। शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोगात्मक डेटा की तुलना एकल इलेक्ट्रॉनों के कंप्यूटर सिमुलेशन से की। उल्लेखनीय रूप से, सिमुलेशन ने बिना किसी समायोज्य पैरामीटर (adjustable parameters) के वास्तविक दुनिया के डेटा से पूरी तरह से मिलान किया। उन्होंने केवल तारों के भौतिक आयामों और इलेक्ट्रॉन घनत्व का उपयोग किया। यह सुझाव देता है कि तार अनिवार्य रूप से उस विकार (disorder) से मुक्त हैं जो आमतौर पर क्वांटम प्रभावों को खत्म कर देता है, जिससे पूरी 18 µm लंबाई में पूर्ण बैलिस्टिक कोहेरेंट क्वांटम इंटरफेरेंस संभव हो पाता है।
दूसरी खोज: इलेक्ट्रॉनों को एक-एक करके गिनना
जब शोधकर्ताओं ने सिस्टम को परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा किया और वोल्टेज कम किया, तो इलेक्ट्रॉनों का निरंतर प्रवाह एक असतत, चरण-दर-चरण प्रक्रिया में बदल गया। यह ऐसा था जैसे हाईवे पार्किंग स्थलों की एक श्रृंखला में बदल गया हो, और इलेक्ट्रॉन केवल एक-एक करके प्रवेश कर सकते थे। इसे कूलम्ब ब्लॉकेड (Coulomb blockade) शासन के रूप में जाना जाता है, जहाँ तार एक विशाल क्वांटम डॉट की तरह कार्य करता है।
इस अवस्था में, वे इलेक्ट्रॉनों के असतत ऊर्जा स्तरों (discrete energy levels) को स्पष्ट रूप रूप से देख सके। उन्होंने तार को 100 इलेक्ट्रॉनों तक भरा और देखा कि वे कैसे एक के ऊपर एक जमा होते हैं। सबसे उल्लेखनीय अवलोकन स्पिन फिलिंग सीक्वेंस (spin filling sequence) था। इलेक्ट्रॉनों में "स्पिन" नामक एक गुण होता है, जिसे "ऊपर" या "नीचे" इशारा करने वाले एक छोटे चुंबक के रूप में सोचा जा सकता है। कई क्वांटम सिस्टम में, इलेक्ट्रॉन जोड़े में समूह बना सकते हैं या जटिल चुंबकीय अवस्थाएं बना सकते हैं। हालाँकि, इन लंबे तारों में, इलेक्ट्रॉनों ने एक सख्त, पूर्ण लय का पालन किया: ऊपर, नीचे, ऊपर, नीचे, ऊपर, नीचे। उन्होंने किसी भी "उच्च स्पिन" अवस्था को बनाने से परहेज किया जहाँ कई इलेक्ट्रॉन एक ही दिशा में संरेखित होते।
लेखकों का सुझाव है कि यह सख्त क्रमबद्धता इसलिए होती है क्योंकि तार इतना एक-आयामी है कि वहां कोई आकस्मिक ऊर्जा ओवरलैप (degeneracies) नहीं है जो इलेक्ट्रॉनों को भ्रमित करे, और उनके बीच का संपर्क इतना कमजोर है कि वे भीड़ करने के बजाय बारी-बारी से काम करने को प्राथमिकता देते हैं। यह व्यवहार 100 से अधिक इलेक्ट्रॉन ट्रांज़िशन में लगातार देखा गया, जो ऐसे बड़े सिस्टम में एक दुर्लभ स्तर की व्यवस्था को दर्शाता है।
इसका क्या अर्थ है और क्या नहीं है
यह शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि ये प्रभाव यादृच्छिक अशुद्धियों (disorder) द्वारा निर्मित छोटे, आकस्मिक क्वांटम डॉट्स के कारण हैं। इसके बजाय, डेटा पुष्टि करता है कि क्वांटम अवस्थाएं तार की पूरी लंबाई में फैली हुई हैं, एक छोर से दूसरे छोर तक। हस्तक्षेप पैटर्न और असतत ऊर्जा स्तर पूरे 18 µm संरचना के गुण हैं, न कि केवल एक छोटे 200 nm खंड के।
हालाँकि, लेखक सावधानी बरतते हुए कहते हैं कि इस पूर्णता की सीमाएँ हैं। सबसे लंबे तारों (18 µm) में, बहुत कम इलेक्ट्रॉन घनत्व (अत्यधिक नकारात्मक गेट वोल्टेज) पर, हस्तक्षेप पैटर्न घटने लगे। लेखकों का सुझाव है कि यह संभवतः इसलिए है क्योंकि जब अशुद्धियों को "स्क्रीन" करने या छिपाने के लिए कम इलेक्ट्रॉन होते हैं, तो विकार (disorder) अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है। वे यह भी बताते हैं कि जबकि हमने 18 µm तक इन प्रभावों को देखा, उनके पदार्थ में बैलिस्टिक ट्रांसपोर्ट की सैद्धांतिक सीमा इससे अधिक हो सकती है, लेकिन हम अभी तक वहां तक नहीं पहुंचे हैं।
संक्षेप में, यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि सही परिस्थितियों में—अत्यधिक ठंड, उच्च शुद्धता और सटीक इंजीनियरिंग—क्वांटम मैकेनिक्स को सूक्ष्म ही रहने की आवश्यकता नहीं है। यह लगभग 18 µm तक फैल सकता है, एक ऐसा सिस्टम बनाता है जहाँ इलेक्ट्रॉन पूर्ण तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं, स्वयं के साथ हस्तक्षेप करते हैं और ऊर्जा स्तरों को एक पूर्ण नियमित नृत्य में भरते हैं। यह एक ऐसी दुनिया की झलक है जहाँ क्वांटम और मैक्रोस्कोपिक आपस में मिलने लगते हैं, जो यह सिद्ध करता है कि पर्याप्त देखभाल के साथ, हम ऐसे क्वांटम सिस्टम बना सकते हैं जो लगभग एक मानव बाल जितने बड़े होते हैं।
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