Broadband Quantum Optical Storage with Chemically Engineered Molecular Eu$^\text{{3+}}$ Complex

इंटरनेट का भविष्य एक नए प्रकार के बुनियादी ढांचे पर निर्भर है: क्वांटम नेटवर्क। वर्तमान वेब के विपरीत, जो सूचना को विद्युत संकेतों या प्रकाश तरंगों के रूप में भेजता है, ये नेटवर्क डेटा को व्यक्तिगत परमाणुओं की नाजुक अवस्थाओं का उपयोग करके प्रसारित करते हैं। इसे लंबी दूरी तक काम करने योग्य बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता है जिससे वे एक उड़ते हुए फोटॉन को पकड़ सकें, उसे उसकी नाजुक जानकारी खोए बिना एक स्थान पर रोक सकें, और फिर ठीक उसी समय उसे छोड़ सकें जब उसकी आवश्यकता हो। इस उपकरण को क्वांटम मेमोरी कहा जाता है। एक वास्तविक दुनिया के नेटवर्क में इस तरह की मेमोरी को उपयोगी होने के लिए, इसमें एक साथ आवृत्तियों (frequencies) की एक विस्तृत श्रृंखला को संग्रहीत करने में सक्षम होना चाहिए, बिल्कुल एक रेडियो की तरह जो केवल एक के बजाय कई स्टेशनों को एक साथ ट्यून कर सकता है। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने में रही है जो संकेतों की इस विस्तृत श्रृंखला को स्पष्ट रूप से और लंबे समय तक थाम सके।

द दशकों से, शोधकर्ताओं ने इन भंडारण इकाइयों के रूप में यूरोपियम जैसे दुर्लभ-पृथ्वी आयनों (rare-earth ions) से युक्त क्रिस्टल की ओर देखा है। ये परमाणु प्रकाश के लिए छोटे, स्थिर कंटेनरों के रूप में कार्य करते हैं क्योंकि उनकी आंतरिक ऊर्जा स्तर बाहरी हस्तक्षेप से अच्छी तरह से सुरक्षित होते हैं। हालाँकि, एक महत्वपूर्ण सीमा ने उन्हें पीछे खींच रखा है: आवृत्तियों की सीमा जो वे संग्रहीत कर सकते हैं, बहुत संकीर्ण रही है, जो अक्सर केवल कुछ मिलियन चक्र प्रति सेकंड तक ही सीमित होती है। यह संकीर्ण खिड़की उच्च-गति क्वांटम संचार के लिए आवश्यक व्यापक, तेज़ संकेतों को संग्रहीत करना कठिन बनाती है। जबकि अन्य प्रकार के दुर्लभ-पृथ्वी आयनों ने व्यापक भंडारण के लिए आशा दिखाई है, वे अपनी अपनी समस्याओं के साथ आते हैं, जैसे कि सिग्नल को जल्दी खो देना या बैकग्राउंड में बहुत अधिक प्रकाश को अवशोषित करना।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया दृष्टिकोण प्रदर्शित किया है जो इस संकीर्ण बाधा को तोड़ता है, और इसके लिए उन्होंने एक ऐसे पदार्थ का उपयोग किया है जो प्रकृति में मौजूद नहीं है। पृथ्वी से क्रिस्टल निकालने के बजाय, उन्होंने एक विशिष्ट अणु को शून्य से बनाया। एक यूरोपियम आयन के चारों ओर परमाणुओं की एक विशिष्ट व्यवस्था को रासायनिक रूप से इंजीनियर करके, उन्होंने एक अनूठी आंतरिक संरचना बनाई जो इस सामग्री को आवृत्तियों की बहुत व्यापक श्रृंखला को संग्रहीत करने की अनुमति देती है। इस इंजीनियर किए गए अणु का उपयोग करके, उन्होंने सफलतापूर्वक 200 मिलियन चक्र प्रति सेकंड की बैंडविड्थ वाले प्रकाश स्पंदों (light pulses) को संग्रहीत किया, एक ऐसी सीमा जिसे और भी आसानी से बढ़ाया जा सकता है। यह उपलब्धि पहली बार है जब एक आणविक डिजाइन ने ऐसी क्वांटम भंडारण क्षमता को सक्षम किया है जो किसी भी मौजूदा ठोस-अवस्था सामग्री के साथ असंभव थी।

इस सफलता का मूल तत्व यह है कि शोधकर्ताओं ने यूरोपियम परमाणु के भीतर ऊर्जा स्तरों को कैसे नियंत्रित किया। एक मानक क्रिस्टल में, परमाणु की अवस्थाओं के बीच ऊर्जा के चरण आसपास की सामग्री के कठोर जालीदार ढांचे (lattice) द्वारा निर्धारित होते हैं। टीम ने महसूस किया कि एक विशिष्ट, कम-समरूपता (low-symmetry) वाली आकृति वाला अणु डिजाइन करके, वे ऊर्जा के चरणों को एक सटीक गणितीय पैटर्न का पालन करने के लिए मजबूर कर सकते हैं। उन्होंने एक जटिल संरचना बनाई जहाँ परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों के बीच के अंतराल एक-दूसरे से संबंधित थे: कुछ अंतराल दूसरे के आकार के ठीक दोगुने थे, और अन्य एक आधार मान के विषम गुणक थे। यह विशिष्ट व्यवस्था महत्वपूर्ण है क्योंकि यह शोधकर्ताओं को 'स्पेक्ट्रल होल बर्निंग' नामक तकनीक का उपयोग करके भंडारण स्लॉट का एक आदर्श पैटर्न उकेरने की अनुमति देती है।

कल्पना कीजिए कि आप एक दीवार पर प्रकाश और अंधेरे की धारियों का पैटर्न पेंट करके एक संदेश संग्रहीत करने का प्रयास कर रहे हैं। यदि दीवार असमान है या पेंट टपक रहा है, तो संदेश विकृत हो जाएगा। इस प्रयोग में, "दीवार" प्रकाश को अवशोषित करने की सामग्री की क्षमता है, और "पेंट" एक लेजर है जिसका उपयोग विशिष्ट आवृत्तियों को साफ करने के लिए किया जाता है। शोधकर्ताओं ने एक लेजर का उपयोग विशिष्ट आवृत्तियों पर प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता को मिटाने के लिए किया, जिससे सटीक अंतरालों पर खाली स्लॉट, या "छेद" (holes) की एक श्रृंखला पीछे रह गई। क्योंकि अणु को सही आंतरिक रिक्ति के साथ इंजीनियर किया गया था, इसलिए ये छेद "एंटी-होल्स" या बढ़े हुए अवशोषण वाले क्षेत्रों के साथ पूरी तरह से संरेखित हो गए, जिससे एक स्वच्छ, दोहराव वाला ग्रेटिंग स्ट्रक्चर बन गया। यह संरचना एक कंघी की तरह कार्य करती है, जो आने वाले प्रकाश की एक विस्तृत श्रृंखला को पकड़ने के लिए तैयार है।

इसका परीक्षण करने के लिए, टीम ने एक नया अणु संश्लेषित किया जिसमें एक यूरोपियम आयन के चारोंกัน ऑर्गेनिक लिगेंड्स (organic ligands) थे, विशेष रूप से एक यौगिक जिसे Eu3+(TMHD)3(phen) के रूप में जाना जाता है। उन्होंने इस सामग्री को सूक्ष्म पाउडर क्रिस्टल और बड़े, मिलीमीटर आकार के सिंगल क्रिस्टल दोनों में विकसित किया। जब उन्होंने इन नमूनों को परम शून्य (absolute zero) के ठीक ऊपर, 1.4 केल्विन के तापमान तक ठंडा किया, तो उन्होंने भंडारण माध्यम तैयार करने की प्रक्रिया शुरू की। उन्होंने स्पेक्ट्रल ग्रेटिंग बनाने के लिए लेजर पल्स की एक श्रृंखला चलाई, जिससे डेटा के लिए रास्ता साफ हुआ। एक बार पैटर्न सेट हो जाने के बाद, उन्होंने डेटा को संग्रहीत करने वाले प्रकाश के एक स्पंद को भेजा।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। टीम ने सिंगल क्रिस्टल के लिए 14.9% की भंडारण दक्षता मापी, जिसका अर्थ है कि आने वाले प्रकाश का लगभग 15% सफलतापूर्वक कैप्चर किया गया और बाद में पुन: उत्सर्जित किया गया। पाउडर नमूने के लिए, दक्षता 7.2% कम थी, लेकिन फिर भी महत्वपूर्ण थी। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि सिस्टम ने 200 MHz की बैंडविड्थ को संभाला, जो मानक क्रिस्टल में यूरोपियम के साथ प्राप्त होने वाले कुछ मेगाहर्ट्ज़ की तुलना में एक विशाल सुधार है। शोधकर्ताओं ने पाया कि संग्रहीत जानकारी को 10 मिलीसेकंड के प्रतीक्षा समय के बाद पुनः प्राप्त किया जा सकता था, और सामग्री लंबे समय तक स्थिर रही, जो उच्च-गति, ऑन-डिमांड डेटा रिट्रीवल की क्षमता का सुझाव देती है।

यह कार्य केवल एक संख्या में सुधार करने से कहीं अधिक है; यह क्वांटम तकनीक के लिए एक नया मार्ग स्थापित करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि मेजबान सामग्री (host material) को एक निश्चित, अपरिवर्तनीय ब्लॉक के रूप में मानने के बजाय, वे क्वांटम प्रणाली के मौलिक गुणों को ट्यून कर सकते हैं। उन्होंने दिखाया कि रासायनिक इंजीनियरिंग ने उस समस्या को हल किया जिसे भौतिक क्रिस्टल नहीं कर सके। टीम ने इस दृष्टिकोण के लिए एक पूर्ण ढांचा प्रदान किया, जिसमें अणु को डिजाइन करने, उसे संश्लेषित करने और उसके क्वांटम गुणों का विश्लेषण करने का विवरण दिया गया। उन्होंने सिद्ध किया कि अणु में परमाणुओं की विशिष्ट व्यवस्था ने ऊर्जा अंतराल को निर्धारित किया, और इस व्यवस्था को सही करके, वे एक ऐसा मेमोरी डिवाइस बना सके जिसकी क्षमता प्रकृति ने प्रदान नहीं की थी।

इसके निहितार्थ केवल भंडारण तक ही सीमित नहीं हैं। एक दुर्लभ-पृथ्वी आयन के आसपास इलेक्ट्रोमैग्नेटिक वातावरण को सटीक रूप से नियंत्रित करने की क्षमता बेहतर क्वांटम सेंसर और एकल फोटॉन के कुशल स्रोत बनाने का द्वार खोलती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस पद्धति को अन्य दुर्लभ-पृथ्वी आयनों पर लागू किया जा सकता है ताकि ऐसी सामग्रियां बनाई जा सकें जो अन्य क्वांटम प्रणालियों की आवृत्तियों से मेल खाती हों, जिससे विभिन्न प्रकार के क्वांटम उपकरणों को जोड़ने वाले हाइब्रिड नेटवर्क संभव हो सकें। हालांकि वर्तमान प्रयोग अत्यंत निम्न तापमान पर किया गया था, रासायनिक इंजीनियरिंग दृष्टिकोण की सफलता यह सुझाव देती है कि इन सिद्धांतों को भविष्य में अधिक मजबूत सिस्टम बनाने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

अध्ययन ने पिछले प्रयासों की सीमाओं को भी संबोधित किया। यूरोपियम का उपयोग करने वाली पिछली विधियाँ ऊर्जा स्तरों की संकीर्ण रिक्ति द्वारा प्रतिबंधित थीं, जिसने स्टोरेज बैंडविड्थ को सीमित कर दिया था। थुलियम जैसे अन्य आयन व्यापक बैंड को संग्रहीत कर सकते थे लेकिन उनमें आवश्यक स्थिरता की कमी थी या उन्हें कार्य करने के लिए जटिल चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता थी। एक आणविक होस्ट का उपयोग करके, टीम ने इन बाधाओं को पूरी तरह से दरकिनार कर दिया। उन्होंने दिखाया कि अणु की "अपूर्ण" प्रकृति, इसकी विशिष्ट विकृतियों और समरूपता की कमी के साथ, वास्तव में एक लाभ थी। इसने उन्हें क्रिस्टल की कठोर समरूपता के नियमों को तोड़ने और आवश्यक नई स्टोरेज प्रोटोकॉल के लिए सटीक ऊर्जा रिक्ति बनाने की अनुमति दी।

अंतिम विश्लेषण में, शोधकर्ताओं ने न केवल एक बेहतर सामग्री पाई है; उन्होंने एक सामग्री खोजने की रणनीति ही बदल दी है। प्रकृति में एक आदर्श क्रिस्टल खोजने के बजाय, उन्होंने परमाणु के लिए एक आदर्श वातावरण बनाया। प्रयोग ने पुष्टि की कि एक रासायनिक रूप से इंजीनियर किया गया अणु वह भंडारण दक्षता और बैंडविड्थ प्राप्त कर सकता है जो किसी भी मौजूदा ठोस-अवस्था सामग्री के पास नहीं है। 14.9% दक्षता और 200 MHz बैंडविड्थ केवल क्रमिक सुधार नहीं हैं; वे इस बात का प्रतीक हैं कि क्वांटम मेमोरी को कैसे डिजाइन किया जा सकता है। यह कार्य सुझाव देता है कि क्वांटम नेटवर्क का भविष्य शायद नए खनिजों की खोज पर कम और आणविक डिजाइन की सटीक कला पर अधिक निर्भर करेगा।