Active control of THz plasmon propagation in a one-dimensional electronic waveguide

इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, गति हमेशा से ही परम लक्ष्य रही है। दशकों से, इंजीनियरों ने ट्रांजिस्टर को छोटा किया है और प्रोसेसर की गति बढ़ाई है, किलोहर्ट्ज़ से गीगाहर्ट्ज़ और मिलीमीटर-वेव संचार तक पहुँचने के लिए। लेकिन जैसे-जैसे उपकरण छोटे होते जा रहे हैं और सिग्नल तेज़ हो रहे हैं, एक मौलिक बदलाव आता है। जब विद्युत संकेत इतनी तेज़ी से चलते हैं कि उनके चक्र केवल कुछ ट्रिलियनवें सेकंड के लिए होते हैं, तो वे एक तार के माध्यम से बहने वाली साधारण धाराओं की तरह व्यवहार करना बंद कर देते हैं। इसके बजाय, वे तरंगों (waves) की तरह व्यवहार करने लगते हैं, जो उस सामग्री के ताने-बाने के साथ परस्पर क्रिया करते हैं जिससे वे यात्रा करते हैं। यह टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों का क्षेत्र है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ मानक इलेक्ट्रॉनिक्स के नियम क्वांटम मैकेनिक्स की विचित्र, संभाव्य दुनिया में विलीन हो जाते हैं। यहाँ, लक्ष्य केवल डेटा को तेज़ी से भेजना नहीं है, बल्कि इलेक्ट्रॉनों के व्यक्तिगत पैकेटों को उसी सटीकता के साथ नियंत्रित करना है जैसे फाइबर ऑप्टिक्स में प्रकाश को नियंत्रित किया जाता है। यदि वैज्ञानिक इसमें महारत हासिल कर लेते हैं, तो वे ऐसे क्वांटम कंप्यूटर बना सकते हैं जो वर्तमान में संभव गति से कहीं अधिक गति से सूचना को प्रोसेस कर सकते हैं, जिसमें इलेक्ट्रॉन उन फोटॉन्स की तरह सर्किटों से गुजरते हैं जैसे फोटॉन कांच से गुजरते हैं।

फ्रांस और जर्मनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक कस्टम-निर्मित नैनोस्केल डिवाइस में इन अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रॉन तरंगों को नियंत्रित करने की क्षमता प्रदर्शित करके इस भविष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम बढ़ाया है। उन्होंने एक विशेष इलेक्ट्रॉनिक हाईवे, एक एक-आयामी वेवगाइड (one-dimensional waveguide) बनाया, और सफलतापूर्वक इलेक्ट्रॉनों के एक ऐसे विस्फोट (burst) को इंजेक्ट किया जो समय में इतना छोटा था कि वह केवल चार पिकोसेकंड तक रहा। उस अवधि को समझने के लिए, एक पिकोसेकंड एक सेकंड के लिए वैसा ही है जैसा एक सेकंड तैंतीस वर्षों के लिए होता है; यह आवेश का एक क्षणिक फ्लैश है जो एक अत्यंत सूक्ष्म क्षण के लिए अस्तित्व में रहता है। शोधकर्ताओं ने न केवल इस पल्स का अवलोकन किया; उन्होंने इसकी गति को सक्रिय रूप से नियंत्रित भी किया। वेवगाइड के भीतर विद्युत स्थितियों को समायोजित करके, वे माइक्रोस्कोपिक ट्रैक पर इस इलेक्ट्रॉन वेवपैकेट के प्रसार को धीमा या तेज़ करने में सक्षम थे।

यह डिवाइस स्वयं एकीकृत इंजीनियरिंग का एक चमत्कार है, जो एक उच्च-गुणवत्ता वाले सेमीकंडक्टर स्ट्रक्चर को अल्ट्राफास्ट ऑप्टिकल स्विच के साथ जोड़ता है। इसके केंद्र में एक टू-डायमेंशनल इलेक्ट्रॉन गैस (two-dimensional electron gas) स्थित है, जो गैलियम आर्सेनाइड क्रिस्टल की सतह के ठीक नीचे फंसे इलेक्ट्रॉनों की एक पतली परत है। इस परत को एक संकीर्ण चैनल में ढाला गया है, जो लगभग 10 से 40 माइक्रोमीटर लंबा है, और यह वेवगाइड के रूप में कार्य करता है। इलेक्ट्रॉनों को गतिमान करने के लिए, टीम ने फोटोकंडक्टिविटी नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने चिप पर लगे छोटे स्विचों पर अत्यंत संक्षिप्त लेज़र पल्स छोड़े, जिसने तुरंत एक वोल्टेज स्पाइक उत्पन्न किया। इस स्पाइक को फिर इलेक्ट्रॉन चैनल में इंजेक्ट किया गया, जिससे आवेश की एक सामूहिक लहर (ripple) पैदा हुई जिसे प्लाज्मन (plasmon) कहा जाता है। एक एकल इलेक्ट्रॉन के विपरीत, प्लाज्मन कई इलेक्ट्रॉनों की एक सिंक्रोनाइज्ड वेव है जो एक साथ चलती है, ठीक वैसे ही जैसे एक स्टेडियम में भीड़ 'द वेव' करती है। शोधकर्ताओं ने मापा कि यह तरंग चैनल के माध्यम से कैसे यात्रा करती है और चैनल के गुणों में परिवर्तन होने पर यह कैसा व्यवहार करती है।

मुख्य खोज यह थी कि इस इलेक्ट्रॉन तरंग की गति स्थिर नहीं है; यह इस बात पर निर्भर करती है कि इलेक्ट्रॉनों को चैनल के भीतर कितनी मजबूती से सीमित किया गया है। शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोस्टैटिक गेट्स का उपयोग किया, जो छोटे धातु के इलेक्ट्रोड हैं, ताकि इलेक्ट्रॉन प्रवाह को एक संकीर्ण पथ में दबाया जा सके। जैसे-जैसे उन्होंने बंधन (confinement) को बढ़ाया, जिससे प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनों के लिए हाईवे संकरा हो गया, तरंग धीमी हो गई। इसके विपरीत, जब पथ चौड़ा था, तो तरंग तेज़ चली। चिप के पार सिग्नल के यात्रा करने में लगने वाले समय को मापकर, वे तरंग के वेग की गणना कर सके। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने इलेक्ट्रॉनों के बहने के लिए उपलब्ध पथों की संख्या कम की, गति लगभग 1.7 मिलियन मीटर प्रति सेकंड से घटकर लगभग 0.7 मिलियन मीटर प्रति सेकंड हो गई। यह संबंध एक अनुमानित पैटर्न का पालन करता था, जिससे पुष्टि हुई कि इन अल्ट्राफास्ट तरंगों का व्यवहार उन्हीं सिद्धांतों द्वारा शासित होता है जो धीमी, कम आवृत्ति वाले संकेतों पर लागू होते हैं, लेकिन अब इन्हें ऐसी गति और पैमाने पर देखा गया है जो पहले अप्राप्य थे।

इस उपलब्धि को जो चीज़ विशेष रूप से उल्लेखनीय बनाती है, वह है उपयोग की गई पल्स की अत्यधिक संक्षिप्तता। इस क्षेत्र के पिछले प्रयोगों को दहाईं पिकोसेकंड तक चलने वाली पल्स पर निर्भर रहना पड़ता था, जो इतनी लंबी होती हैं कि डिवाइस के अंत तक पहुँचने से पहले ही वे काफी फैल जाती हैं। इस नए प्रयोग में, चार-पिकोसेकंड की पल्स इतनी छोटी है कि तार में इसकी भौतिक लंबाई स्वयं डिवाइस से छोटी है। इसका अर्थ है कि शोधकर्ता उस अवस्था (regime) में तरंग का अवलोकन कर रहे हैं जहाँ इसे अभी तक फैलने या अपना आकार खोने का समय नहीं मिला है, जो क्वांटम ट्रांसपोर्ट का एक शुद्ध दृश्य प्रदान करता है। टीम को महत्वपूर्ण तकनीकी बाधाओं को भी पार करना पड़ा, जैसे कि धातु के तारों और सेमीकंडक्टर के बीच विद्युत प्रतिबाधा (impedance) का बेमेल होना, जिसके कारण आमतौर पर सिग्नल डिवाइस में प्रवेश करने के बजाय वापस लौट आते हैं। इंटरफ़ेस को सावधानीपूर्वक डिज़ाइन करके और प्रतिरोध को कम करने के लिए क्रायोजेनिक तापमान का उपयोग करके, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि पल्स क्वांटम चैनल में कुशलतापूर्वक प्रवेश कर सके।

इस कार्य के निहितार्थ केवल इलेक्ट्रॉनों को तेज़ी से चलाने से कहीं अधिक हैं। इतनी अल्पकालिक इलेक्ट्रॉन तरंगों को उत्पन्न करने, निर्देशित करने और नियंत्रित करने की क्षमता एक नए प्रकार के क्वांटम सूचना प्रसंस्करण (quantum information processing) के द्वार खोलती है। भविष्य में, ये उड़ते हुए इलेक्ट्रॉन वेवपैकेट क्यूबिट्स (qubits), यानी क्वांटम सूचना की बुनियादी इकाइयों के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो वर्तमान प्रोसेसरों द्वारा लिए जाने वाले समय के एक अंश में चिप के पार डेटा ले जा सकते हैं। चूंकि शोधकर्ता इन तरंगों की गति को सक्रिय रूप से ट्यून कर सकते हैं, इसलिए वे संभावित रूप से लॉजिक ऑपरेशन्स करने या क्वांटम सर्किट के विभिन्न हिस्सों को सिंक्रोनाइज़ करने के लिए इस नियंत्रण का उपयोग कर सकते हैं। यह अध्ययन दर्शाता है कि टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर चार्ज ट्रांसपोर्ट की सूक्ष्म गतिशीलता केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है, बल्कि एक नियंत्रणीय भौतिक घटना है। यह सिद्ध करके कि इन अल्ट्राफास्ट प्लाज्मोनिक उत्तेजनाओं को सटीकता के साथ नियंत्रित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीकों के लिए एक महत्वपूर्ण आधार प्रदान किया है, जिससे पिकोसेकंड-स्केल क्वांटम संचालन का सपना वास्तविकता के एक कदम और करीब आ गया है।