Quantum encoding of structured light into in-plane topological spin textures

तेज, छोटे और अधिक कुशल कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से सूचना संग्रहीत करने के लिए सामग्रियों के चुंबकीय गुणों की ओर देख रहे हैं। हार्ड ड्राइव पर बिट्स को पलटने के लिए विद्युत धाराओं का उपयोग करने के बजाय, जो गर्मी पैदा करती है और काफी शक्ति की आवश्यकता होती है, शोधकर्ता "टोपोलॉजिकल स्पिन टेक्सचर" (topological spin-textures) की खोज कर रहे हैं। ये चुंबकीय अभिविन्यास के सूक्ष्म, स्थिर भंवर हैं जो ठोस कणों की तरह व्यवहार करते हैं, भले ही वे केवल परमाणुओं के सामूहिक संरेखण से बने हों। क्योंकि ये भंवर मजबूत होते हैं और गलती से मिटाए जाने में कठिन होते हैं, उन्हें अगली पीढ़ी के मेमोरी उपकरणों के लिए आदर्श उम्मीदवार माना जाता है। चुनौती हमेशा यह रही है कि उन्हें सटीक रूप से और न्यूनतम ऊर्जा के साथ कैसे बनाया जाए। पारंपरिक तरीकों में अक्सर विद्युत धाराएं इंजेक्ट करना या चुंबकीय क्षेत्र लागू करना शामिल होता है, लेकिन ये दृष्टिकोण अव्यवस्थित हो सकते हैं, जिनमें उच्च ऊर्जा या जटिल वायरिंग की आवश्यकता होती है जो इन उपकरणों को कितना छोटा बनाया जा सकता है, इसकी सीमा तय करती है।

न्यू साउथ वेल्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन चुंबकीय पैटर्न को लिखने का एक अलग तरीका प्रस्तावित किया है, जिसमें प्रकाश का उपयोग उपकरण के रूप में किया गया है। अगस्त 2026 में प्रकाशित एक अध्ययन में, उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके दिखाया कि स्पाइरल (spiral) के आकार के संरचित प्रकाश पुंजों (structured light beams) का उपयोग करके पतली चुंबकीय फिल्मों में इन चुंबकीय भंवरों को नियत रूप से (deterministically) बनाया जा सकता है। मुख्य खोज यह है कि प्रकाश पुंज के विशिष्ट "क्वांटम नंबर"—इसका आकार, इसका स्पिन और इसका घुमाव—सीधे उस चुंबकीय पैटर्न के आकार और पहचान में परिवर्तित किए जा सकते हैं जो पीछे छूट जाता है। यह एक ऐसे भविष्य का सुझाव देता है जहाँ सूचना को प्रकाश के पल्स का उपयोग करके चुंबकीय चिप्स पर लिखा जाएगा, जो बिना किसी भौतिक संपर्क या उच्च विद्युत धाराओं के अल्ट्राफास्ट, ऊर्जा-कुशल डेटा स्टोरेज का मार्ग प्रशस्त करता है।

शोधकर्ताओं ने प्रकाश के एक प्रकार पर ध्यान केंद्रित किया जिसे लैगुएर-गौस वॉर्टेक्स (Laguerre-Gaussian vortex) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि एक प्रकाश पुंज है जो केवल एक सीधी रेखा में नहीं चलता बल्कि आगे बढ़ते हुए एक कॉर्कस्क्रू (corkscrew) की तरह घुमाव लेकर चलता है। यह घुमाव प्रकाश को एक गुण प्रदान करता है जिसे कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) कहा जाता है। अपने सिमुलेशन में, टीम ने इस सर्पिल प्रकाश के पल्स को एक बहुत पतली चिरल फेरोमैग्नेटिक (chiral ferromagnetic) सामग्री की फिल्म पर छोड़ा। चिरल सामग्रियां वे हैं जहाँ चुंबकीय परमाणु एक विशिष्ट दिशा में मुड़ने को प्राथमिकता देते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक बाएं हाथ या दाएं हाथ के स्क्रू में होता है। प्रकाश का पल्स ज़ीमान इंटरेक्शन (Zeeman interaction) नामक एक मौलिक बल के माध्यम से चुंबकीय फिल्म के साथ परस्पर क्रिया करता है, जो अनिवार्य रूप से चुंबकीय परमाणुओं को उनकी विश्राम स्थिति से थोड़ा विस्थापित करता है।

इस परस्पर क्रिया का परिणाम काफी हद तक प्रकाश पुंज के विशिष्ट गुणों पर निर्भर करता है। जब शोधकर्ताओं ने एक एकल घुमाव और सर्कुलर पोलराइजेशन (circular polarization)—जहाँ प्रकाश का विद्युत क्षेत्र यात्रा करते समय घूमता है—वाले प्रकाश पुंज का उपयोग किया, तो उन्होंने पाया कि वे विश्वसनीय रूप से एक एकल, अलग चुंबकीय भंवर बना सकते हैं। बनाया गया भंवर, चाहे वह 'बिमेरॉन' (bimeron) नामक एक विशिष्ट प्रकार का चुंबकीय जोड़ा हो या उसका विपरीत 'एंटीबिमेरॉन' (antibimeron), प्रकाश के घुमाव की दिशा और सामग्री की अपनी पसंदीदा चुंबकीय दिशा के संयोजन द्वारा निर्धारित होता है। यदि प्रकाश का घुमाव सामग्री की प्राकृतिक प्राथमिकता से मेल खाता था, तो एक स्थिर चुंबकीय बनावट बनी। यदि वे एक-दूसरे के विपरीत थे, तो प्रक्रिया वांछित पैटर्न बनाने में विफल रही। इसने प्रदर्शित किया कि प्रकाश के गुणों का उपयोग ठीक से किस चुंबकीय अवस्था को लिखना है, यह चुनने के लिए किया जा सकता है।

अध्ययन ने इस बात की भी जांच की कि क्या होता है जब प्रकाश पुंज अधिक जटिल होता है। जब शोधकर्ताओं ने कई घुमावों वाले पुंजों का उपयोग किया, या जब उन्होंने पोलराइजेशन को सर्कुलर के बजाय लीनियर (linear) में बदला, तो परिणाम और भी बहुमुखी हो गए। लीनियरली पोलराइज्ड प्रकाश के साथ, प्रकाश पुंज में घुमावों की संख्या चुंबकीय पैटर्न में बनने वाले चुंबकीय घुमावों की संख्या को सीधे निर्धारित करती थी। दो घुमाव वाले पुंज ने दो के टोपोलॉजिकल चार्ज वाला चुंबकीय टेक्सचर बनाया, और तीन घुमाव वाले पुंज ने तीन चार्ज वाला टेक्सचर बनाया। इन मामलों में, प्रकाश एक प्रत्यक्ष ब्लूप्रिंट के रूप में कार्य करता था, जो अपनी संरचनात्मक जटिलता को चुंबकीय फिल्म में एनकोड करता था।

जब प्रकाश पुंज और भी जटिल थे, जिनमें कई घुमाव या अधिक जटिल रेडियल संरचना थी, तो सिमुलेशन ने क्लस्टर्स (clusters) के निर्माण को दिखाया। एक अलग आइसोलेटेड भंवर के बजाय, प्रकाश चुंबकीय बनावटों के समूहों को जन्म देता था जो आपस में जुड़े रहते थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रकाश पल्स की तीव्रता और उसकी अवधि को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे यह नियंत्रित कर सकते थे कि क्लस्टर बनेंगे या प्रकाश केवल अलग-अलग, अलग भंवर बनाएगा। इन मापदंडों के प्रति यह संवेदनशीलता बताती है कि यह विधि केवल एक सीमित तकनीक नहीं है, बल्कि विविध प्रकार की चुंबकीय कॉन्फ़िगरेशन उत्पन्न करने के लिए एक लचीला उपकरण है।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक इन पैटर्न को बनाने के लिए उन उच्च विद्युत धाराओं की आवश्यकता के बिना सक्षम होने की क्षमता थी जो आमतौर पर इन उपकरणों को संचालित करती हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि केवल कुछ पिकोसेकंड (picoseconds) के प्रकाश पल्स इन चुंबकीय परमाणुओं को नई अवस्थाओं में ले जाने के लिए पर्याप्त थे। यह प्रक्रिया प्रकाश पल्स के सटीक समय और आकार पर निर्भर थी ताकि चुंबकीय परमाणुओं को उनकी मूल अवस्था में वापस लौटने से पहले एक स्थिर विन्यास में निर्देशित किया जा सके। यदि प्रकाश बहुत कमजोर या पल्स बहुत छोटा होता, तो चुंबकीय परमाणु बस अपनी समान अवस्था में लौट आते। हालांकि, सही मापदंडों के साथ, प्रकाश एक स्थायी, स्थिर चुंबकीय बनावट छोड़ देता।

शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि प्रकाश पुंभ का आकार मायने रखता है। एक एकल, साफ चुंबकीय भंवर बनाने के लिए, पुंज को स्वयं भंवर के आकार के तुल्य केंद्रित किया जाना चाहिए, जो लगभग 15 नैनोमीटर व्यास का होता है। यह टाइट फोकस यह सुनिश्चित करता है कि ऊर्जा ठीक वहीं केंद्रित हो जहाँ इसकी आवश्यकता है, जिससे अव्यवस्थित, अनियंत्रित पैटर्न बनने से रोका जा सके। हालांकि वास्तविक दुनिया के प्रयोग में इतने कसकर केंद्रित पुंज को बनाना उन्नत तकनीकों जैसे 'नियर-फील्ड ऑप्टिक्स' की मांग करेगा, सिमुलेशन एक प्रमाण (proof of concept) प्रदान करते हैं कि ऐसा नियंत्रण सैद्धांतिक रूप से संभव है।

यह कार्य क्वांटम ऑप्टिक्स की अमूर्त दुनिया और स्पिंट्रोनिक्स (spintronics) की व्यावहारिक आवश्यकताओं के बीच के अंतर को पाटता है। यह दिखाकर कि प्रकाश के क्वांटम गुणों को किसी सामग्री की चुंबकीय अवस्थाओं पर सीधे मैप किया जा सकता है, यह अध्ययन भविष्य में डेटा लिखने के लिए नई संभावनाएं खोलता है। यह सुझाव देता है कि प्रकाश की जटिल भाषा—इसका स्पिन, इसका घुमाव और इसका आकार—सीधे कंप्यूटर चिप के चुंबकीय परमाणुओं से बात करने के लिए उपयोग की जा सकती है, उन्हें ठीक से बताने के लिए कि उन्हें खुद को कैसे व्यवस्थित करना है। यह ऐसे उपकरणों की ओर ले जा सकता है जो न केवल छोटे और तेज होंगे, बल्कि वर्तमान तकनीकों की तुलना में बहुत कम ऊर्जा की खपत करेंगे, क्योंकि लेखन प्रक्रिया विद्युत धारा के बल के बजाय प्रकाश के सटीक वितरण पर निर्भर करेगी।

यह अध्ययन एक सिमुलेशन बना हुआ है, जिसका अर्थ है कि परिणाम भौतिक प्रयोगशाला प्रयोगों के बजाय इस बात के गणितीय मॉडल पर आधारित हैं कि ये सामग्रियां कैसे व्यवहार करती हैं। हालांकि, उपयोग किए गए मॉडल स्थापित हैं और ज्ञात भौतिक नियमों पर आधारित हैं, जो निष्कर्षों को उच्च विश्वसनीयता प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं ने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि मानक, बिना घुमाव वाले प्रकाश पुंज इन विशिष्ट टोपोलॉजिकल टेक्सचर को उसी स्तर के नियंत्रण के साथ बना सकते थे। उन्होंने पाया कि वॉर्टेक्स बीम के कक्षीय कोणीय संवेग के बिना, प्रकाश वांछित पैटर्न बनाने के लिए आवश्यक चुंबकीय संक्रमण को प्रेरित करने में सक्षम नहीं था।

अंततः, यह शोध एक स्पष्ट और आशाजनक मार्ग प्रस्तुत करता है। यह प्रदर्शित करता है कि प्रकाश पल्स के ऑप्टिकल क्वांटम नंबरों को ट्यून करके, एक सामग्री में विशिष्ट चुंबकीय अवस्थाओं को नियत रूप से लिखा जा सकता है। चाहे एक एकल भंवर, भंवरों का एक समूह, या जटिल मल्टी-टेक्चर कॉन्फ़िगरेशन बनाना हो, प्रकाश एक सटीक पेन की तरह कार्य करता है, जो सामग्री के चुंबकीय ताने-बाने में सूचना लिखता है। यह डेटा स्टोरेज के भविष्य के लिए एक सम्मोहक दृष्टि पेश करता है, जहाँ प्रकाश के जटिल गुणों का उपयोग कंप्यूटिंग के अगले पीढ़ी के उपकरणों के निर्माण के लिए किया जाता है।