Field-free dual superconducting diode via photon-assisted interference
यह शोधपत्र एक पारंपरिक Al/AlOx/Al टनल जंक्शन पर आधारित एक क्षेत्र-मुक्त, ज्यामितीय रूप से सममित सुपरकंडक्टिंग डायोड को प्रदर्शित करता है जो माइक्रोवेव बिहारमोनिक ड्राइविंग का उपयोग करके बिना किसी ऊर्जा हानि वाले सुपरकरंट और विसरणात्मक क्वैसीपार्टिकल चैनलों दोनों को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित और सुधारा (rectify) करता है, जिससे रिकॉर्ड-उच्च सुधार दक्षता प्राप्त होती है और कम-शक्ति वाले क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक बहुमुखी "एब्सोल्यूट डायोड" सक्षम होता है।
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इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, डायोड एक विनम्र लेकिन आवश्यक द्वारपाल है। यह एक ऐसा घटक है जो विद्युत धारा को एक दिशा में आसानी से बहने देता है जबकि दूसरी दिशा में इसे रोकता है, ठीक वैसे ही जैसे इलेक्ट्रॉनों के लिए एकतरफा सड़क हो। यह सरल कार्य आधुनिक कंप्यूटिंग की नींव है, जो उपकरणों को प्रत्यावर्ती धारा (alternating current) को दिष्ट धारा (direct current) में बदलने और डिजिटल संकेतों को संसाधित करने की अनुमति देता है। हालाँकि, आज हम जिन डायोड का उपयोग करते हैं वे अर्धचालकों (semiconductors) से बने होते हैं, जो उन अत्यधिक निम्न तापमानों पर कुशलतापूर्वक कार्य करने में संघर्ष करते हैं जिनकी आवश्यकता क्वांटम कंप्यूटरों और संवेदनशील वैज्ञानिक उपकरणों के लिए होती है। इन अत्यंत ठंडे स्तरों पर, परम शून्य (absolute zero) के करीब, पारंपरिक अर्धचालक डायोड अपनी प्रभावशीलता खो देते हैं, जिससे अगली पीढ़ी की अति-तीव्र, कम-शक्ति वाली तकनीक के लिए एक बाधा उत्पन्न होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक ऐसा डायोड बनाने का तरीका खोज रहे थे जो इन गहरे जमा देने वाली स्थितियों में पूरी तरह से काम कर सके, आदर्श रूप से एक ऐसा डायiod जो दो अलग-अलग प्रकार के विद्युत प्रवाह को संभाल सके: इलेक्ट्रॉन युग्मों (electron pairs) का स्थिर, घर्षण रहित संचलन और व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों का अधिक अराजक, ऊर्जा-खर्च करने वाला संचलन।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक मानक सुपरकंडक्टिंग टनल जंक्शन का उपयोग करके एक समाधान प्रदर्शित किया है, जो एक छोटा उपकरण है जिसे एक पतली इन्सुलेटिंग बाधा द्वारा अलग किए गए एल्युमीनियम की दो परतों से बनाया गया है। डायोड को काम करने के लिए जटिल सामग्री स्टैक या बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने माइक्रोवेव के उपयोग वाला एक चतुर प्रयोग किया। जंक्शन को माइक्रोवेव विकिरण के एक विशिष्ट पैटर्न से नहलाकर, वे डिवाइस की प्राकृतिक समरूपता (symmetry) को तोड़ने में सक्षम हुए, जिससे यह प्रभावी रूप से एक दोहरे-कार्य वाले डायोड में बदल गया। यह नया उपकरण इलेक्ट्रॉन युग्मों के घर्षण रहित प्रवाह और व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के विसरणात्मक (dissipative) प्रवाह दोनों के लिए एक आदर्श द्वारपाल के रूप में कार्य कर सकता है, और वह भी एक ही, ज्यामितीय रूप से सममित घटक के भीतर। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल माइक्रोवेव संकेतों के समय (timing) को समायोजित करके, वे डिवाइस को इन दो मोडों के बीच स्विच कर सकते हैं या करंट के बहने की दिशा को भी बदल सकते हैं।
यह प्रयोग एक डाइल्यूशन रेफ्रिजरेटर (dilution refrigerator) के भीतर किया गया था, जो नमूनों को 80 मिलीकेल्विन तक ठंडा करने में सक्षम एक मशीन है, जो परम शून्य से केवल एक अंश ऊपर है। सेटअप का केंद्र एल्युमीनियम से बना एक छोटा जंक्शन था, जिसमें एल्युमीनियम ऑक्साइड और एल्युमीनियम शामिल था, जिसका क्षेत्रफल लगभग 16 वर्ग माइक्रोमीटर था। अपनी प्राकृतिक अवस्था में, बिना किसी बाहरी प्रभाव के, यह जंक्शन सममित व्यवहार करता है, जिससे करंट दोनों दिशाओं में समान रूप से प्रवाहित होता है। इसे बदलने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक 'बिहारमोनिक ड्राइव' (biharmonic drive) लागू किया, जो दो आवृत्तियों (frequencies) से मिलकर बना एक माइक्रोवेव सिग्नल है। उन्होंने 1.405 गीगाहर्ट्ज़ की एक मौलिक आवृत्ति और ठीक उसके दोगुने, 2.810 गीगाहर्ट्ज़ की एक दूसरी हार्मोनिक भेजी। प्रयोग की कुंजी केवल इन तरंगों की उपस्थिति नहीं थी, बल्कि उनका सापेक्ष चरण (relative phase) था, यानी दो तरंगों के शिखर (peaks) और गर्त (troughs) समय के साथ एक-दूसरे के साथ कैसे संरेखित होते हैं।
जब शोधकर्ताओं ने इस चरण संबंध को समायोजित किया, तो उन्होंने जंक्शन के माध्यम से बिजली के प्रवाह में एक नाटकीय परिवर्तन देखा। कुछ सेटिंग्स पर, डिवाइस एक 'सुपरकरंट डायोड' के रूप में कार्य करता था। इस मोड में, इसने इलेक्ट्रॉन युग्मों की एक धारा को एक दिशा में बिना किसी प्रतिरोध के बहने दिया, जबकि दूसरी दिशा में उसी घर्षण रहित प्रवाह को रोक दिया। यह सुपरकंडक्टिंग सर्किटों के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है, जहाँ शून्य-प्रतिरोध अवस्था बनाए रखना दक्षता के लिए महत्वपूर्ण है। अन्य सेटिंग्स पर, डिवाइस ने अपनी भूमिका बदलकर 'क्वासिपार्टिकल डायोड' (quasiparticle diode) के रूप में कार्य किया। यहाँ, इसने व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को प्रबंधित किया, जिससे उन्हें एक दिशा में स्वतंत्र रूप से गुजरने दिया जबकि दूसरी दिशा में उनकी गति को दबा दिया। शोधकर्ताओं ने इस सुधार (rectification) की दक्षता को मापा और पाया कि यह पारंपरिक अर्धचालक डायोड की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करता है, विशेष रूप से इन निम्न तापमानों पर। डिवाइस प्रतिवर्ती करंट (reverse current) को इतनी प्रभावी ढंग से दबा सकता था कि यह एक आदर्श स्थिति के करीब पहुँच गया जहाँ कोई बिजली पीछे की ओर नहीं बहती।
इस खोज के सबसे आश्चर्यजनक पहलुओं में से एक माइक्रोवेव सिग्नल के चरण को बदलकर डायोड की क्रिया की दिशा को नियंत्रित करने की क्षमता है। तरंगों के समय को एक सेटिंग से उसके विपरीत में बदलकर, शोधकर्ता तुरंत डायोड की ध्रुवीयता (polarity) को उलट सकते थे। एक करंट जिसे पहले आगे बहने की अनुमति दी गई थी, अचानक रुक गया, जबकि विपरीत दिशा प्रतिरोध का कम रास्ता बन गई। यह गतिशील पुनर्रचनात्मकता (reconfigurability) का अर्थ है कि डिवाइस एक स्थिर घटक नहीं है बल्कि एक ट्यूनेबल उपकरण है जिसे आवश्यकतानुसार अनुकूलित किया जा सकता है। टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह सिस्टम कम-आवृत्ति वाले प्रत्यावर्ती धारा संकेतों को सीधा (rectify) कर सकता है, उन्हें दिष्ट धारा में परिवर्तित कर सकता है। एक विशिष्ट विन्यास में, उन्होंने एक "एब्सोल्यूट डायोड" बनाया। यह अवस्था दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ संयोजन प्रदान करती है: यह शून्य प्रतिरोध प्रदान करती है जब करंट आगे की ओर बहता है और प्रभावी रूप से अनंत प्रतिरोध प्रदान करती है जब यह पीछे की ओर जाने की कोशिश करता है, जिससे ऑन और ऑफ दोनों अवस्थाओं में ऊर्जा की हानि समाप्त हो जाती है।
इस व्यवहार के पीछे का तंत्र जंक्शन में इलेक्ट्रॉनों और माइक्रोवेव ड्राइव से फोटॉन (प्रकाश के कणों) के बीच होने वाली अंतःक्रिया पर निर्भर करता है। जब जंक्शन को माइक्रोवेव की एकल आवृत्ति से टकराया जाता है, तो अंतःक्रिया सममित रहती है, और डिवाइस करंट की दिशा के बावजूद एक जैसा व्यवहार करता है। हालाँकि, दो आवृत्तियों का संयोजन एक जटिल हस्तक्षेप पैटर्न (interference pattern) बनाता है जो इस समरूपता को तोड़ देता है। यह हस्तक्षेप डिवाइस को एक दिशा में इलेक्ट्रॉनों के संचलन में सहायता करने और दूसरी दिशा में उन्हें बाधित करने में सक्षम बनाता है। शोधकर्ताओं ने अपने निष्कर्षों की पुष्टि अपने प्रयोगात्मक डेटा की सैद्धांतिक मॉडलों के साथ तुलना करके की, जिसने उल्लेखनीय सहमति दिखाई। उन्होंने विभिन्न चुंबकीय क्षेत्र स्थितियों के तहत भी डिवाइस का परीक्षण किया और पाया कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के बिना भी यह प्रभाव बना रहता है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है जहाँ चुंबकीय हस्तक्षेप एक समस्या हो सकती है।
यह कार्य क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक अत्यधिक ठंड में संचालित होने वाले इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने के लिए एक नया मार्ग खोलता है। क्योंकि यह डिवाइस मानक एल्युमीनियम जंक्शनों और पारंपरिक माइक्रोवेव नियंत्रण लाइनों पर आधारित है, यह क्वांटम कंप्यूटरों के लिए उपयोग की जाने वाली मौजूदा विनिर्माण तकनीकों के साथ संगत है। एक ऐसा डायोड बनाने की क्षमता जो बिना बाहरी चुंबक के काम करता है और जो इलेक्ट्रॉन परिवहन के दोनों प्रकारों को संभाल सकता है, एक ऐसे भविष्य का सुझाव देती है जहाँ क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स अधिक कुशल और बहुमुखी हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि विद्युत प्रवाह को सावधानीपूर्वक आकार देकर, मौलिक स्तर पर बिजली के प्रवाह को इंजीनियर करना संभव है, जिससे एक साधारण टनल जंक्शन को अगली पीढ़ी के कंप्यूटिंग के लिए एक परिष्कृत, पुनर्रचनात्मक घटक में बदला जा सकता है।
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