Plasmonic Modes in hybrid Josephson Junction Arrays

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक ऐसे सर्किट की ओर मुड़ रहे हैं जो परमाणुओं की तरह व्यवहार करते हैं, लेकिन एक ऐसे पैमाने पर जिन्हें देखा और नियंत्रित किया जा सके। ये सुपरकंडक्टिंग सर्किट एक विशेष घटक पर निर्भर करते हैं जिसे जोसेफसन जंक्शन (Josephson junction) कहा जाता है, जो एक छोटा सा पुल है जहाँ बिजली बिना प्रतिरोध के बह सकती है, फिर भी चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति संवेदनशील तरीके से कार्य करती है। यही संवेदनशीलता इंजीनियरों को क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स (qubits), यानी क्वांटम सूचना की मौलिक इकाइयों के लिए आवश्यक गैर-रैखिक व्यवहार बनाने की अनुमति देती है। हालाँकि, जैसे-जैसे शोधकर्ता इन सर्किट्स को अधिक जटिल और मजबूत बनाने का प्रयास करते हैं, उन्हें एक बड़ी बाधा का सामना करना पड़ता है: इन्हें बनाने में उपयोग की जाने वाली सामग्रियां अक्सर चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में आने पर संघर्ष करती हैं, जिससे वे अपने विशेष गुणों को खो देती हैं या उपयोगी होने के बजाय बहुत 'नॉइज़ी' (noisy) हो जाती हैं। आगे बढ़ने के लिए, वैज्ञानिक समुदाय को इन नाजुक जंक्शनों का अध्ययन करने के एक ऐसे तरीके की आवश्यकता है जो ठीक उन्हीं परिस्थितियों में हो जिनका वे अंततः सामना करेंगे, विशेष रूप से यह समझने के लिए कि चुंबकीय वातावरण बदलने के साथ बिजली का प्रवाह कैसे बदलता है।

रेगेंसबर्ग विश्वविद्यालय और उसके सहयोगियों की शोध टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नया तरीका विकसित किया है, जिसमें एक ऐसी संरचना का उपयोग किया गया है जो छोटे पुलों की एक लंबी श्रृंखला की तरह कार्य करती है। उन्होंने एक उपकरण बनाया जो एल्युमीनियम और इंडियम आर्सेनिक नामक एक सेमीकंडक्टर सामग्री के 'सैंडविच' से बना है। इस सेटअप में, एल्युमीनियम एक टू-डायमेंशनल इलेक्ट्रॉन गैस (दो-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस) के ऊपर एक पतली सुपरकंडक्टिंग परत बनाता है, जो एक सपाट शीट है जहाँ इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। एल्युमीनियम में क्रमबद्ध रूप से संकीर्ण अंतराल (gaps) बनाकर, उन्होंने इस निरंतर शीट को सैकड़ों व्यक्तिगत जोसेफसन जंक्शनों की एक श्रृंखला में बदल दिया, जो एक धागे में पिरोए गए मोतियों की तरह व्यवस्थित हैं। यह श्रृंखला, जिसे जोसेफसन जंक्शन ऐरे (Josephson junction array) कहा जाता है, को एक माइक्रोवेव रेज़ोनेटर (microwave resonator) में एकीकृत किया गया था, जो एक ऐसा उपकरण है जो विशिष्ट आवृत्तियों पर कंपन करता है जब बिजली इसके माध्यम से गुजरती है, ठीक वैसे ही जैसे एक गिटार का तार एक विशिष्ट पिच पर कंपन करता है।

शोधकर्ताओं ने इस सेटअप का उपयोग इस ऐरे के माध्यम से माइक्रोवेव संकेतों को भेजने और यह मापने के लिए किया कि संकेत कैसे बदलते हैं। उपकरण के माध्यम से सीधे नीचे की ओर इशारा करने वाले चुंबकीय क्षेत्र को लागू करके, उन्होंने अनुनाद आवृत्तियों (resonance frequencies) में एक विशिष्ट पैटर्न देखा। जैसे-जैसे चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति बढ़ी, कंपन की आवृत्ति एक अनुमानित तरंग-नुमा पैटर्न में ऊपर-नीचे होती रही। यह पैटर्न उस हस्तक्षेप फ्रिंज (interference fringes) के समान है जो दो झिर्रियों से गुजरने वाले प्रकाश के समय दिखाई देते हैं, लेकिन यहाँ यह ऐरे के सैकड़ों जंक्शनों के माध्यम से बहने वाली सुपरकरंट्स द्वारा बनाया गया है। टीम ने पाया कि इस पद्धति ने उन्हें चुंबकीय क्षेत्र की एक विस्तृत श्रृंखला में इस हस्तक्षेप पैटर्न को स्पष्ट रूप से देखने की अनुमति दी, जो कि एक कठिन कार्य है क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र आमतौर पर पतली फिल्मों में नाजुक सुपरकंडक्टिंग अवस्था को बाधित कर देता है।

उनकी सफलता की कुंजी ऐरे का डिज़ाइन था। सुपरकंडक्टिंग फिल्म को जंक्शनों द्वारा जुड़े हुए छोटे, अलग-थलग द्वीपों में तोड़कर, उन्होंने चुंबकीय भंवरों (magnetic vortices)—चुंबकीय क्षेत्र के छोटे भंवर जो आमतौर पर सुपरकंडक्टिंग गुणवत्ता को नष्ट कर देते हैं—को स्वतंत्र रूप से घूमने और ऊर्जा हानि का कारण बनने से रोक दिया। इस डिज़ाइन ने उपकरण को स्थिर रखा और शोधकर्ताओं को उच्च सटीकता के साथ जंक्शनों के गुणों को मापने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि इन जंक्शनों के माध्यम से करंट बहने का तरीका वह सरल, चिकना वक्र नहीं है जिसकी अक्सर मानक मॉडलों में कल्पना की जाती है। इसके बजाय, प्रवाह सुपरकंडक्टर और सेमीकंडक्टर के बीच के अवरोध की पारदर्शिता (transparency) के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है।

उनके एक उपकरण के लिए, डेटा ने खुलासा किया कि इलेक्ट्रॉन जंक्शनों से बहुत उच्च दक्षता के साथ गुजर रहे हैं, मानो वे धुंधलेपन के बजाय एक स्पष्ट खिड़की से गुजर रहे हों। शोधकर्ताओं ने गणना की कि जंक्शन लगभग 93 प्रतिशत की प्रभावी पारदर्शिता के साथ व्यवहार करते हैं, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन एक लगभग पूर्ण, बैलिस्टिक पथ (ballistic path) से गुजर रहे हैं। पारदर्शिता का यह उच्च स्तर बताता है कि इलेक्ट्रॉन अशुद्धियों से टकराकर बिखर नहीं रहे हैं, बल्कि वे एक समन्वित, क्वांटम मैकेनिकल तरीके से बह रहे हैं। इसके विपरीत, उनके द्वारा परीक्षण किए गए दूसरे उपकरण ने अधिक मानक, कम पारदर्शी व्यवहार दिखाया, जिससे पुष्टि हुई कि यह विधि जंक्शन की गुणवत्ता के विभिन्न प्रकारों के बीच अंतर कर सकती है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि जोसेफसन जंक्शन ऐरे हाइब्रिड सुपरकंडक्टर-सेमीकंडक्टर उपकरणों के सूक्ष्म गुणों को मापने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण के रूप में कार्य कर सकते हैं। अनुनाद आवृत्तियों के हस्तक्षेप पैटर्न को मैप करके, टीम अनुनाद आवृत्तियों के माध्यम से करंट और वेव फंक्शन के फेज (phase) के बीच के विस्तृत संबंध को निकालने में सक्षम रही, जो एक मौलिक गुण है कि जंक्शन कैसे व्यवहार करता है। मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों की उपस्थिति में इन गुणों को मापने की क्षमता, अधिक मजबूत क्वांटम सर्किट डिजाइन करने का द्वार खोलती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि ये ऐरे 'सुपर-इंडक्टर्स' (super-inductors) के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो बहुत कम हानि के साथ चुंबकीय ऊर्जा को संग्रहीत करने वाले घटक हैं, जो अगली पीढ़ी के संरक्षित क्वांटम सर्किट बनाने के लिए आवश्यक हैं। ये सर्किट त्रुटियों के प्रति अधिक लचीले हो सकते हैं, जो व्यावहारिक क्वांटम कंप्यूटरों को साकार करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। अध्ययन पुष्टि करता है कि इन उपकरणों की ज्यामिति को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, वैज्ञानिक ऐसे घटक बना सकते हैं जो न केवल ट्यूनेबल हैं, बल्कि उन्नत क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक जटिल चुंबकीय वातावरण में काम करने के लिए पर्याप्त लचीले भी हैं।