Optical characterization of excited-state spin Hamiltonians and clock transitions at telecommunication wavelength in Tm3+:YAlO3
यह शोध पत्र Tm3+:YAlO3 के 3F4 और 3H4 मैनिफोल्ड्स के निम्नतम स्टार्क स्तरों (Stark levels) के चुंबकीय गुणों को अभिलक्षित करता है और स्पिन हैमिल्टोनियन (spin Hamiltonians) स्थापित करता है ताकि टेलीकम्युनिकेशन तरंगदैर्ध्य पर ऑप्टिकल क्लॉक ट्रांज़िशन का पूर्वानुमान लगाया जा सके, जिसका लक्ष्य क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए ऑप्टिकल कोहेरेंस समय को बढ़ाना है।
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क्वांटम भौतिकी की शांत, अत्यंत ठंडी दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार इस बात के तरीके खोज रहे हैं कि सूचना को लंबे समय तक कैसे बनाए रखा जाए। कल्पना कीजिए कि आप अपने मन में एक नाजुक विचार को थामने की कोशिश कर रहे हैं जबकि आपके चारों ओर एक शोर भरी भीड़ चिल्ला रही है; वह विचार जल्दी ही ओझल हो जाता है। क्वांटम क्षेत्र में, यह "भीड़" अक्सर सूक्ष्म, उतार-चढ़ाव वाले चुंबकीय क्षेत्रों से बनी होती है जो परमाणुओं में संग्रहीत सूचना को बिखेर देती है। सुरक्षित संचार और शक्तिशाली कंप्यूटरों का भविष्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को ऐसे परमाणुओं की आवश्यकता है जो अपने क्वांटम अवस्था को लंबे समय तक बनाए रख सकें, भले ही वातावरण पूरी तरह से स्थिर न हो। इन परमाणुओं की रक्षा करने का एक आशाजनक तरीका एक विशेष सेटिंग खोजना है, एक प्रकार का चुंबकीय 'स्वीट स्पॉट' (sweet spot), जहाँ परमाणु आसपास के शोर के प्रति अस्थायी रूप से बहरा हो जाता है। यह अवधारणा इस बात पर निर्भर करती है कि परमाणु के आंतरिक भाग चुंबकीय बलों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, जिसे समझने के लिए परमाणु के ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) को अत्यधिक सटीकता के साथ मैप करने की आवश्यकता होती है।
जेनेवा विश्वविद्यालय और पॉल शेरर संस्थान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के परमाणु का अध्ययन किया है: थुलियम आयन (thulium ion), जो यट्रियम एल्युमीनियम पेरोव्स्काइट (yttrium aluminum perovskite) से बने क्रिस्टल के भीतर समाहित है। ये आयन विशेष हैं क्योंकि वे लगभग 1451 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) वाली रोशनी के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं, जो एक ऐसा रंग है जो वैश्विक इंटरनेट और दूरसंचार में उपयोग किए जाने वाले फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से बहुत कुशलता से यात्रा करता है। हालाँकि वैज्ञानिक पहले से ही जानते थे कि ये आयन प्रकाश-आधारित सूचना को संग्रहीत कर सकते हैं, लेकिन उनकी स्मृति अल्पकालिक थी, जो केवल कुछ माइक्रोसेकंड तक चलती थी, इससे पहले कि क्रिस्टल का चुंबकीय शोर सूचना को मिटा देता। शोधकर्ता यह समझना चाहते थे कि वास्तव में ऐसा क्यों हुआ और अधिक महत्वपूर्ण बात यह कि वे इसे कैसे रोक सकते हैं। उन्होंने थुलियम आयन के उन दो उत्तेजित ऊर्जा स्तरों (excited energy levels) पर ध्यान केंद्रित किया जो इस दूरसंचार प्रकाश द्वारा जुड़े हुए हैं, जिसका उद्देश्य उन अदृश्य चुंबकीय नियमों का मानचित्र तैयार करना था जो यह नियंत्रित करते हैं कि चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में आने पर ये स्तर कैसे बदलते और विभाजित होते हैं।
ऐसा करने के लिए, टीम ने एक छोटा सा क्रिस्टल जिसमें थुलियम आयन थे, उसे एक ऐसी मशीन के अंदर रखा जिसने इसे परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा कर दिया, जो उस बिंदु से ठीक ऊपर का तापमान है जहाँ सभी आणविक गति रुक जाती है। फिर उन्होंने क्रिस्टल पर एक मजबूत, एकसमान चुंबकीय क्षेत्र लगाया, और सावधानीपूर्वक चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति और उसकी दिशा दोनों को बदला। एक सटीक लेजर का उपयोग करके, उन्होंने विशिष्ट आवृत्तियों (frequencies) पर प्रकाश को अवशोषित करने की क्रिस्टल की क्षमता में सूक्ष्म "छेद" (holes) बनाए। इन छेदों की स्थितियों के बदलने और चुंबकीय क्षेत्र के परिवर्तन के साथ उनके विभाजित होने के तरीके को देखकर, शोधकर्ता क्रिस्टल के भीतर छिपे चुंबकीय गुणों का पता लगा सके। यह बिल्कुल वैसा ही था जैसे किसी घंटी की पिच (pitch) को अलग-अलग बलों और कोणों से थपथपाकर यह पता लगाना कि वह घंटी किस चीज़ की बनी है।
इन मापों ने थुलियम आयनों के व्यवहार का एक विस्तृत मानचित्र प्रकट किया। टीम ने पाया कि चुंबकीय क्षेत्र आयनों के ऊर्जा स्तरों को एक अनुमानित तरीके से बदलता है, लेकिन इस बदलाव का आकार क्रिस्टल की आंतरिक संरचना के सापेक्ष क्षेत्र की दिशा पर बहुत अधिक निर्भर करता है। उन्होंने उन विशिष्ट मानों की गणना की जो यह वर्णन करते हैं कि थुलियम आयन के इलेक्ट्रॉन और नाभिकीय स्पिन (nuclear spin) चुंबकीय क्षेत्र के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे एक पूर्ण गणितीय विवरण प्राप्त होता है जिसे 'स्पिन हैमिल्टनियन' (spin Hamiltonian) कहा जाता है। यह विवरण एक ब्लूप्रिंट (blueprint) के रूप में कार्य करता है, जिससे वैज्ञानिक सटीक भविष्यवाणी कर सकते हैं कि परमाणु भविष्य में लागू किए जाने वाले किसी भी चुंबकीय क्षेत्र के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देगा। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन और नाभिक के बीच की परस्पर क्रिया पिछले कुछ गणनाओं के सुझावों की तुलना में बहुत अधिक मजबूत है, जो यह उजागर करता है कि क्रिस्टल का अनूठा आकार परमाणु के व्यवहार को कैसे बदल देता है।
इस नए ब्लूप्रिंट के साथ, शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों का उपयोग करके "ऑप्टिकल क्लॉक ट्रांजिशन" (optical clock transitions) के अस्तित्व की भविष्यवाणी की। ये चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति और दिशा के बहुत विशिष्ट संयोजन हैं जहाँ परमाणु द्वारा अवशोषित प्रकाश की आवृत्ति चुंबकीय क्षेत्र के छोटे उतार-चढ़ाव के प्रति लगभग पूरी तरह से प्रतिरक्षित हो जाती है। इन विशेष स्थानों पर, परमाणु उस शोर से प्रभावी रूप से सुरक्षित रहता है जो आमतौर पर इसकी क्वांटम सूचना को नष्ट कर देता है। टीम ने कई ऐसे बिंदुओं की पहचान की, जिनमें से एक वह है जहाँ चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति लगभग 30.88 मिलीटेस्ला है और एक विशिष्ट दिशा में है। इस सटीक सेटिंग पर, चुंबकीय शोर के प्रति परमाणु की संवेदनशीलता नाटकीय रूप से गिर जाती है, जो यह सुझाव देती है कि अन्य सेटिंग्स की तुलना में मेमोरी का समय तेरह गुना से अधिक बढ़ाया जा सकता है।
यह कार्य अभी यह सिद्ध नहीं करता है कि इन दीर्घजीवी स्मृतियों को बनाया जा सकता है, लेकिन यह ऐसा करने के लिए एक आवश्यक रोडमैप प्रदान करता है। थुलियम आयनों के स्थिर होने की सटीक स्थितियों की पहचान करके, यह अध्ययन क्वांटल मेमोरी और सिंगल-फोटॉन स्रोतों को बनाने के लिए एक स्पष्ट मार्ग खोलता है जो दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर संचालित होते हैं। यदि इंजीनियर ऐसे उपकरण बना सकते हैं जो इन अनुमानित "क्लॉक पॉइंट्स" पर काम करते हैं, तो वे अंततः उन क्वांटम नेटवर्कों की क्षमता को अनलॉक कर सकते हैं जो लंबी दूरी तक फैले हुए हैं, और मौजूदा फाइबर-ऑप्टिक बुनियादी ढांचे का उपयोग करके ऐसी सूचना प्रसारित कर सकते हैं जो सुरक्षित है और हमारे रोजमर्रा के प्रकाश के समान ही है।
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