Deterministic positioning accuracy of B centers in hBN by electron irradiation

अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटर और सुरक्षित संचार नेटवर्क बनाने की खोज में, वैज्ञानिक प्रकाश के सूक्ष्म, विश्वसनीय स्रोतों की तलाश कर रहे हैं जो एक बार में एक फोटॉन के रूप में सूचना ले जा सकें। कल्पना कीजिए कि प्रकाश का एक एकल कण जिसे पूर्ण सटीकता के साथ चालू और बंद किया जा सकता है, जो क्वांटम डेटा के वाहक के रूप में कार्य करता है। इन प्रणालियों को काम करने के योग्य बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को इन प्रकाश स्रोतों को ठीक वहीं रखना पड़ता है जहाँ उनकी आवश्यकता होती है, अक्सर उन सूक्ष्म संरचनाओं के भीतर जो उनके संकेत को निर्देशित और प्रवर्धित (amplify) करती हैं। इस कार्य के लिए चुनी गई सामग्री हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड (hexagonal boron nitride) है, जो एक ऐसा क्रिस्टल है जो कागज की एक शीट जितना पतला है लेकिन अविश्वसनीय रूप से मजबूत और स्थिर है। इस क्रिस्टल के भीतर, वैज्ञानिक विशिष्ट दोष (defects) उत्पन्न कर सकते हैं—परमाणु संरचना में सूक्ष्म खामियां—जो एक अद्वितीय, चमकीले प्रकाश के साथ चमकते हैं। ये दोष सिंगल-फोटॉन उत्सर्जक (single-photon emitters) हैं, जो भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक निर्माण खंड हैं। हालांकि, उन्हें बनाना ही पर्याप्त नहीं है; उन्हें अत्यधिक सटीकता के साथ रखा जाना चाहिए। यदि कोई प्रकाश स्रोत किसी छोटे ऑप्टिकल उपकरण में थोड़ा भी केंद्र से हट जाता है, तो वह उपकरण काम करने में विफल हो सकता है, ठीक वैसे ही जैसे एक चाबी जो थोड़ी मुड़ी हुई हो और ताले में न घूम सके।

फ्रांस के यूनिवर्सिटे पेरिस-सैक्ले (Université Paris-Saclay) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्लेसमेंट समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने बोरॉन नाइट्राइड में एक विशिष्ट प्रकार के दोष पर ध्यान केंद्रित किया जिसे "बी सेंटर" (B center) कहा जाता है, जो एक विशिष्ट नीली रोशनी उत्सर्जित करता है। इन दोषों को क्रिस्टल पर इलेक्ट्रॉनों की एक बीम दागकर मांग के अनुसार बनाया जा सकता है, एक ऐसी प्रक्रिया जो मौजूदा, अदृश्य खामियों को वांछित प्रकाश स्रोतों में बदल देती है। चुनौती यह है कि यह जानना कि इलेक्ट्रॉन बीम वास्तव में कहाँ है जब वह प्रकाश स्रोत बनाता है। शोधकर्ताओं ने यह मापने के लिए प्रयोग किया कि वे अपने नए प्रकाश स्रोतों को उनके इच्छित स्थान के सापेक्ष कितनी सटीकता से स्थापित कर सकते हैं। इन उत्सर्जकों के ग्रिड बनाकर और इच्छित लक्ष्य तथा वास्तविक स्थान के बीच की दूरी को मापकर, उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया अत्यधिक सटीक है, जिसमें प्रकाश स्रोत अपने लक्ष्य से लगभग 40 नैनोमीटर की सीमा के भीतर दिखाई देते हैं। यह स्तर कई वर्तमान अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है, लेकिन टीम ने यह समझने के लिए आगे बढ़कर देखा कि वास्तव में क्या इस सटीकता को सीमित करता है और इसे कैसे सुधारा जा सकता है।

इसे प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के भीतर एक परिष्कृत सेटअप का उपयोग किया, जो एक शक्तिशाली उपकरण है जो सामग्रियों की इमेजिंग और उनमें संशोधन करने के लिए इलेक्ट्रॉनों की एक केंद्रित बीम का उपयोग करता है। उन्होंने इलेक्ट्रॉन बीम के नीचे बोरॉन नाइट्राइड क्रिस्टल की एक पतली परत रखी और प्रकाश स्रोतों के एरे (arrays) बनाना शुरू किया। जैसे ही इलेक्ट्रॉन बीम क्रिस्टल के ऊपर से स्कैन कर रही थी, शोधकर्ताओं ने एक मॉनिटर पर वास्तविक समय में देखा, और उस क्षण की प्रतीक्षा की जब एक नया प्रकाश स्रोत प्रकट हुआ। जैसे ही 'बी सेंटर' की विशिष्ट नीली चमक का पता चला, बीम तुरंत रुक गई और ग्रिड के अगले स्थान पर चली गई। इस पद्धति ने उन्हें व्यक्तिगत प्रकाश स्रोतों के सटीक पैटर्न बनाने की अनुमति दी। एक बार निर्माण प्रक्रिया पूरी हो जाने के बाद, उन्होंने इन नए स्रोतों के सटीक स्थानों को मैप करने के लिए एक अलग प्रकार के माइक्रोस्कोप का उपयोग किया। इन नए स्रोतों के वास्तविक स्थान के मानचित्र की तुलना उस ग्रिड से करके जहाँ शोधकर्ताओं ने उन्हें रखने का इरादा किया था, वे स्थान निर्धारण की त्रुटि (error) की गणना कर सके।

विश्लेषण से पता चला कि इन प्रकाश स्रोतों को रखने में कुल त्रुटि लगभग 40 नैनोमीटर का मानक विचलन (standard deviation) थी। प्रकाश स्रोत लक्ष्य पर बिल्कुल क्यों नहीं गिरे, इसे समझने के लिए शोधकर्ताओं ने त्रुटि को चार अलग-अलग कारणों में विभाजित किया। पहला, मशीन की अपनी अंतर्निहित सटीकता है, जो नियंत्रित करती है कि इलेक्ट्रॉन बीम कहाँ इशारा करती है; इसने लगभग 18 नैनोमीटर की अनिश्चितता में योगदान दिया। दूसरा, एक बार निर्मित होने के बाद प्रकाश स्रोत के सटीक केंद्र को पहचानने में कठिनाई है, जिसने 8 नैनोमीटर की अनिश्चितता जोड़ी। तीसरा, और सबसे महत्वपूर्ण कारक, इलेक्ट्रॉन बीम और क्रिस्टल के बीच भौतिक संपर्क था। जब बीम सामग्री से टकराती है, तो वह केवल एक बिंदु को प्रभावित नहीं करती है; ऊर्जा क्रिस्टल के माध्यम से यात्रा करते समय थोड़ा फैल जाती है, जिससे एक छोटा क्षेत्र बनता है जहाँ परिवर्तन हो सकता है। इस फैलाव का अर्थ था कि प्रकाश स्रोत बीम के केंद्र के आसपास के एक छोटे क्षेत्र में कहीं भी बन सकता था, जिसने कुल त्रुटि में लगभग 27 नैनोमीटर का योगदान दिया।

चौथा कारक क्रिस्टल के भीतर उपलब्ध सामग्रियों से संबंधित संयोग का मामला था। 'बी सेंटर' बनाने के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम को कार्बन परमाणुओं के एक जोड़े जैसे विशिष्ट पूर्व-मौजूद दोष को खोजने की आवश्यकता होती है, ताकि उसे परिवर्तित किया जा सके। यदि ये कार्बन जोड़े विरल (sparse) हैं, तो बीम को थोड़ा आगे जाना पड़ सकता है या ऊर्जा को एक को बदलने के लिए अधिक फैलना पड़ सकता है, जिससे अनिश्चितता की एक और परत जुड़ जाती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि इन सामग्रियों की कमी ने स्थान निर्धारण की त्रुटि में लगभग 23 नैनोमीटर जोड़ा। जब उन्होंने इन सभी कारकों को गणितीय रूप से संयोजित किया, तो अनुमानित कुल त्रुटि उनके वास्तविक मापों से लगभग पूरी तरह मेल खा गई, जिससे पुष्टि हुई कि उन्होंने सटीकता के स्रोतों की सही पहचान की है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि जबकि वर्तमान पद्धति पहले से ही काफी सटीक है, इसमें और सुधार करने का एक स्पष्ट मार्ग मौजूद है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि क्रिस्टल को पतला करके, वे इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा के फैलाव को कम कर सकते हैं, और अपने विकास के दौरान जानबूझकर 'डोपिंग' के माध्यम से क्रिस्टल में कार्बन जोड़ों की संख्या बढ़ाकर, वे यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि एक लक्ष्य तुरंत मिल जाए। यदि ये सुधार किए जाते हैं, तो टीम का अनुमान है कि स्थान निर्धारण की सटीकता को 10 नैनोमीटर से भी कम तक पहुँचाया जा सकता है। सटीकता का यह स्तर एक बड़ी छलांग होगी, जो जटिल, पूर्ण रूप से एकीकृत क्वांटिड फोटोनिक चिप्स के निर्माण की अनुमति देगा जहाँ प्रत्येक प्रकाश स्रोत को ठीक वहीं रखा जाएगा जहाँ उसकी आवश्यकता है, जिससे भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए इन सामग्रियों की पूर्ण क्षमता अनलॉक हो सकेगी।