Scalable integration of silicon carbide color centers into nanophotonic structures
यह शोध पत्र सिलिकॉन कार्बाइड नैनोपिलर्स में ऑक्सीजन-संबंधित कलर सेंटर्स के नियत एकीकरण (deterministic integration) के लिए एक स्केलेबल विधि प्रस्तुत करता है, जिसमें इम्पلانटेशन और एचिंग दोनों के लिए एक साझा नैनोस्केल मास्क का उपयोग किया गया है, जो बल्क नमूनों के तुलनीय स्पिन कोहेरेंस समय को बनाए रखते हुए फोटॉन संग्रह दरों को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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उन मशीनों के निर्माण की खोज में जो सूचना को उन तरीकों से संसाधित कर सकें जो आज के कंप्यूटरों के लिए असंभव है, वैज्ञानिक पदार्थ के सबसे छोटे निर्माण खंडों की ओर देख रहे हैं। वे ठोस क्रिस्टल के भीतर सूक्ष्म दोषों की तलाश कर रहे हैं—ऐसी जगहें जहाँ एक परमाणु गायब है या उसे किसी दूसरे परमाणु से बदल दिया गया है—जो क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स के रूप में कार्य कर सकते हैं। ये दोष इलेक्ट्रॉन स्पिन के रूप में सूचना रख सकते हैं, जो सूक्ष्म चुंबकों की तरह व्यवहार करते हैं जिन्हें पलटा और पढ़ा जा सकता है। इन प्रणालियों के काम करने के लिए, दोषों में प्रकाश के एकल कण उत्सर्जित करने में सक्षम होना चाहिए, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, जो सूचना को नेटवर्क के अन्य हिस्सों तक ले जाते हैं। हालाँकि, एक बड़ी बाधा मौजूद है: जब ये दोष पदार्थ के एक ठोस ब्लॉक के भीतर गहराई में स्थित होते हैं, तो उनके द्वारा उत्सर्जित अधिकांश प्रकाश फंस जाता है या बिखर जाता है, जिससे उन्हें पकड़ना और उपयोग करना लगभग असंभव हो जाता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लंबे समय से ठोस सामग्री को छोटे स्तंभों (पिलर्स) में तराशने की कोशिश की है, इस उम्मीद में कि वे प्रकाश को अधिक कुशलता से बाहर निकाल सकेंगे, लेकिन ऐसा करने के दौरान दोष के नाजुक क्वांटम गुणों को खोए बिना यह करना एक कठिन चुनौती बनी हुई है।
शोधकर्ताओं ने अब सिलिकॉन कार्बाइड स्तंभों के भीतर इन प्रकाश-उत्सर्जक दोषों को विश्वसनीय रूप से स्थापित करने की एक विधि विकसित की है, जो बेहतर क्वांटम उपकरणों की ओर एक स्केलेबल मार्ग बनाता है। स्तंभ बनाने के बाद दोष को खोजने या इस उम्मीद में कि वह सही जगह पर आ जाएगा, इसके बजाय, टीम ने एक ही सटीक टेम्पलेट का उपयोग किया जिससे दोष भी बनाया गया और उसके चारों ओर स्तंभ का आकार भी दिया गया। उन्होंने सिलिकॉन कार्बाइड की एक सपाट वेफर से शुरुआत की और उसे प्लास्टिक की एक पतली परत से ढंक दिया। इलेक्ट्रॉनों की एक बीम का उपयोग करके, उन्होंने इस प्लास्टिक की परत में छोटे छेद किए। इन छेदों के माध्यम से, उन्होंने सिलिकॉन कार्बाइड के नीचे आयन—ऑक्सीजन, नाइट्रोजन या कार्बन के आवेशित परमाणु—दागे। इन आयनों ने परमाणुओं को उनकी जगह से हटा दिया, जिससे उन रिक्तियों (वैकेंसी) का निर्माण हुआ जिनकी आवश्यकता दोष बनाने के लिए होती है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने फिर शेष प्लास्टिक और एक धातु की परत का उपयोग नक्काशी (एचिंग) प्रक्रिया के लिए एक मास्क के रूप में किया, जिसने सिलिक로 कार्बाइड को हजारों छोटे स्तंभों में तराश दिया। क्योंकि मास्क में छेद दोनों चरणों के लिए समान थे, इसलिए यह सुनिश्चित था कि दोष उन्हीं स्तंभों के भीतर बनेंगे जो उन्होंने बनाए थे।
शोधकर्ताओं ने इन स्तंभों के दो अलग-अलग आकारों का परीक्षण किया। पहला प्रकार सिलिकॉन कार्बाइड के एक मोटे ब्लॉक पर खड़ा था, जबकि दूसरा प्रकार एक बहुत ही पतली झिल्ली (मेम्ब्रेन) पर बनाया गया था, जिससे प्रकाश को ऊपर के साथ-साथ नीचे से भी एकत्र किया जा सके। उन्होंने पाया कि यह दृष्टिकोण उल्लेखनीय रूप से प्रभावी रहा। जब उन्होंने स्तंभों के भीतर दोषों से आने वाले प्रकाश को मापा, तो उन्होंने एक सपाट ब्लॉक की सामग्री की तुलना में चमक में भारी वृद्धि देखी। एक प्रकार के दोष के लिए, जिसे PL5 के रूप में जाना जाता है, मेम्ब्रेन स्तंभों में प्रकाश संग्रह छह गुना बढ़ गया, और दूसरे प्रकार, PL6 के लिए, यह लगभग तीन गुना बढ़ गया। कुछ व्यक्तिगत मामलों में, सुधार और भी अधिक था, जो PL5 दोषों के लिए दस गुना तक उज्जवल पहुंच गया। इसका अर्थ है कि छोटे स्तंभ कुशल फनल (कीप) की तरह कार्य करते हैं, प्रकाश को सामग्री से बाहर निकालने के लिए निर्देशित करते हैं ताकि इसे पहचाना और उपयोग किया जा सके।
प्रकाश को केवल अधिक उज्जवल बनाने के अलावा, टीम ने यह भी सत्यापित किया कि दोषों के क्वांटम गुण बरकरार रहे। उन्होंने यह मापा कि दोष अपनी चुंबकीय सूचना को कितनी देर तक रख सकते हैं, जिसे स्पिन कोहेरेंस (spin coherence) नामक गुण कहा जाता है, और पाया कि इस सूचना के फीके पड़ने में लगने वाला समय उतना ही लंबा था जितना कि बिना तराशे गए पदार्थ में था। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है, क्योंकि यह सिद्ध करता है कि स्तंभों को तराशने की प्रक्रिया और दोष बनाने में उपयोग की गई उच्च ऊष्मा ने नाजुक क्वांटम अवस्था को नुकसान नहीं पहुँचाया। शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि दोषों को बनाने के लिए ऑक्सीजन आयनों का उपयोग करना सबसे प्रभावी तरीका था, जिसने कार्बन या नाइट्रोजन का उपयोग करने की तुलना में वांछित प्रकाश-उत्सर्जक केंद्रों को अधिक बार उत्पन्न किया। हालांकि इसकी यील्ड (सफल दोषों का प्रतिशत) उच्च थी, लेकिन यह पूर्ण नहीं थी, जिसमें ऑक्सीजन इम्प्लांटेशन ने एक प्रकार के लिए लगभग 28 प्रतिशत और दूसरे के लिए 19 प्रतिशत प्रयासों में वांछित केंद्र बनाए।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह तकनीक प्रदर्शन को खोए बिना क्वांटम उत्सर्जकों को नैनोफोटोनिक संरचनाओं में एकीकृत करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करती है। एक ही मास्क का उपयोग आयन लगाने और स्तंभों को तराशने दोनों के लिए करके, शोधकर्ताओं ने उन जटिल संरेखण (अलाइनमेंट) चरणों की आवश्यकता को समाप्त कर दिया जो आमतौर पर इस तरह के कार्य को स्केल अप करने में कठिन बना देते हैं। परिणामों ने दिखाया कि यह विधि विभिन्न प्रकार के दोषों के लिए काम करती है और भविष्य में अन्य सामग्रियों पर भी लागू की जा सकती है। टीम ने इन नए उपकरणों की चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति संवेदनशीलता को मापा और पाया कि बेहतर प्रकाश संग्रह ने उन्हें बल्क सामग्री में मौजूद समान दोषों की तुलना में तीन गुना अधिक संवेदनशील बना दिया। यह प्रगति इन क्वांटम सेंसरों के बड़े एरे बनाने की दिशा में एक स्पष्ट मार्ग का सुझाव देती है, जिनका उपयोग अंततः उच्च-परिशुद्धता वाले मापन के लिए या भविष्य के क्वांटम नेटवर्क में नोड्स के रूप में किया जा सकता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि यह संभव है कि इन सूक्ष्म क्वांटम उपकरणों का निर्माण उसी सटीकता और पुनरावृत्ति के साथ किया जाए जिसकी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आवश्यकता होती है, जो स्केलेबल क्वांटम तकनीक के सपने को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाता है।
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