Optical Detection of Coherent Nuclear Spin Control in a Molecular System at Room Temperature
यह अध्ययन कमरे के तापमान पर, उन्नत आणविक क्वांटम सेंसिंग के लिए तेज़ राबी ऑसिलेशन (Rabi oscillations) को सक्षम करने हेतु मजबूत हाइपरफाइन कपलिंग का उपयोग करते हुए, कार्बनिक अणु 6,13-डायज़ापेंटासीन (6,13-diazapentacene) की फोटो-उत्तेजित ट्रिपलेट अवस्था में नाभिकीय चुंबकीय अनुनाद (nuclear magnetic resonance) और N नाभिकीय स्पिन के सुसंगत नियंत्रण (coherent control) का पहला ऑप्टिकल डिटेक्शन प्रदर्शित करता है।
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क्वांटम सेंसिंग एक ऐसा क्षेत्र है जो अत्यधिक सटीकता के साथ भौतिक दुनिया को मापने के लिए समर्पित है, जो अक्सर प्रकृति के सबसे छोटे संभव निर्माण खंडों का उपयोग करता है। इस कार्य के केंद्र में 'स्पिन्स' (spins) नामक सूक्ष्म कण हैं, जो सूक्ष्म चुंबकों की तरह कार्य करते हैं। इनमें से कुछ स्पिन्स इलेक्ट्रॉनों के होते हैं, जबकि अन्य परमाणुओं के केंद्र में स्थित नाभिकों (nuclei) के होते हैं। इलेक्ट्रॉन सेंसिंग के लिए उत्कृष्ट हैं क्योंकि वे चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति मजबूती से प्रतिक्रिया करते हैं और उन्हें प्रकाश के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है, लेकिन वे नाजुक भी होते हैं और अपनी जानकारी जल्दी खो देते हैं। इसके विपरीत, परमाणु नाभिक अविश्वसनीय रूप से स्थिर होते हैं और जानकारी को लंबे समय तक बनाए रख सकते हैं, जो उन्हें मेमोरी के लिए आदर्श बनाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक इन दोनों शक्तियों को संयोजित करने का प्रयास कर रहे थे: इलेक्ट्रॉन का उपयोग जानकारी को पढ़ने और लिखने के लिए करना, और नाभिक का उपयोग उसे संग्रहीत करने के लिए करना। हालांकि यह हीरे जैसे ठोस पदार्थों में हासिल किया जा चुका है, लेकिन कमरे के तापमान पर लचीले, कस्टम-मेड अणुओं के साथ ऐसा करना एक महत्वपूर्ण चुनौती बना हुआ था।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बाधा को पार कर लिया है, और पहली बार यह प्रदर्शित किया है कि वे कमरे के तापमान पर एक अणु के भीतर मौजूद नाभिकीय स्पिन्स को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश का उपयोग कर सकते हैं। वैज्ञानिकों ने 6,13-डायज़ापेंटासीन (6,13-diazapentacene) नामक एक विशिष्ट कार्बनिक अणु पर काम किया, जिसे एक अलग कार्बनिक पदार्थ से बने क्रिस्टल में एम्बेड किया गया था। जब वे इस अणु पर लेजर चमकाते हैं, तो यह प्रकाश को अवशोषित करता है और एक विशेष उत्तेजित अवस्था (excited state) में प्रवेश करता है जहाँ इसके इलेक्ट्रॉन ध्रुवीकृत (polarized) हो जाते हैं, जिसका अर्थ है कि वे सभी एक विशिष्ट दिशा में संरेखित हो जाते हैं। यह संरेखण उनके प्रयोग का शुरुआती बिंदु है। इस अणु में नाइट्रोजन परमाणु होते हैं, और इन नाइट्रोजन परमाणुओं के नाभिकों के अपने स्वयं के स्पिन्स होते हैं। चूंकि इलेक्ट्रॉन और ये नाभिक एक-दूसरे के बहुत करीब होते हैं, इसलिए वे आपस में मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं। शोधकर्ताओं ने इस संबंध का लाभ उठाया, नाभिकीय स्पिन्स को प्रेरित करने के लिए रेडियो तरंगों का उपयोग किया और यह देखने के लिए प्रकाश का उपयोग किया कि क्या होता है।
प्रक्रिया एक लेजर पल्स के साथ शुरू होती है जो अणु को तैयार करती है, जिसके बाद एक माइक्रोवेव पल्स आती है जो इलेक्ट्रॉन स्पिन्स को लक्षित करती है। यह माइक्रोवेव पल्स एक स्विच के रूप में कार्य करती है, जो इलेक्ट्रॉन की स्थिति को नाभिक में स्थानांतरित कर देती है। एक बार जब नाभिक एक विशिष्ट अवस्था में होता है, तो शोधकर्ता नाभिकीय स्पिन को घुमाने या पलटने के लिए एक रेडियो फ्रीक्वेंसी पल्स लागू करते हैं। अंत में, वे परिणाम को पढ़ने के लिए एक और लेजर पल्स चमकाते हैं। यदि रेडियो फ्रीक्वेंसी पल्स ने नाभिकीय स्पिन को सफलतापूर्वक बदल दिया है, तो यह इलेक्ट्रॉन के व्यवहार को बदल देता है, जो बदले में इस बात को बदल देता है कि अणु कितनी रोशनी उत्सर्जित करता है। चमक में इस परिवर्तन को मापकर, टीम यह पुष्टि करने में सक्षम हुई कि उन्होंने सफलतापूर्वक नाभिकीय स्पिन का पता लगाया और उसे नियंत्रित किया है। यह तकनीक, जिसे ऑप्टिकली डिटेक्टेड न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस (optically detected nuclear magnetic resonance) कहा जाता है, ने उन्हें नाइट्रोजन नाभिकों के विशिष्ट ऊर्जा संक्रमणों को देखने की अनुमति दी, जिसके लिए आमतौर पर ऐसे नाजुक मापों के लिए आवश्यक अत्यधिक ठंड की आवश्यकता नहीं पड़ी।
परिणामों ने दिखाया कि शोधकर्ता न केवल इन नाभिकीय स्पिन्स का पता लगा सकते हैं, बल्कि उन्हें एक नियंत्रित, लयबद्ध पैटर्न में दोलन (oscillate) भी करा सकते हैं, जिसे 'राबी ऑसिलेशन' (Rabi oscillations) नामक घटना कहा जाता है। ये दोलन प्रति सेकंड कई मिलियन चक्रों की आवृत्ति पर हुए, जो नाभिकीय स्पिन्स के लिए उल्लेखनीय रूप से तेज़ है। यह गति इसलिए संभव हुई क्योंकि इलेक्ट्रॉन और नाभिक के बीच की मजबूत अंतःक्रिया ने रेडियो तरंगों के प्रभाव को बढ़ा दिया, जिससे नाभिक अपने आप की तुलना में बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया करने में सक्षम हुए। यह गति क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसका अर्थ है कि जानकारी को तेजी से प्रोसेस और स्टोर किया जा सकता है। टीम ने नाइट्रोजन नाभिकों के विशिष्ट ऊर्जा स्तरों का भी मानचित्रण किया, जिसमें पाया गया कि उनका व्यवहार उन सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप था कि अणु की संरचना के भीतर ये परमाणु कैसे कार्य करने चाहिए।
यह उपलब्धि आणविक क्वांटम सेंसर के विकास की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह सिद्ध करके कि इन जटिल अंतःक्रियाओं को कमरे के तापमान पर प्रबंधित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने कस्टम-डिज़ाइन किए गए अणुओं को बहुमुखी उपकरणों के रूप में उपयोग करने का मार्ग प्रशस्त किया है। इन अणुओं को रासायनिक रूप से इंजीनियर करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक संभावित रूप से उनकी विशेषताओं को विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप ट्यून कर सकते हैं, जैसे कि जैविक ऊतकों में चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगाना या उच्च सटीकता के साथ दबाव को मापना। यह कार्य यह भी सुझाव देता है कि ये अणु भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों में मेमोरी यूनिट के रूप में कार्य कर सकते हैं, जहाँ स्थिर नाभिक डेटा को संग्रहीत करते हैं जबकि इलेक्ट्रॉन प्रोसेसिंग को संभालते हैं। हालांकि वर्तमान अध्ययन एक एकल प्रकार के अणु पर केंद्रित है, लेकिन यहाँ प्रदर्शित सिद्धांत उन्नत प्रणालियाँ बनाने के लिए एक आधार प्रदान करते हैं जो अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक के लिए इलेक्ट्रॉन और नाभिक दोनों की सर्वोत्तम विशेषताओं को जोड़ती हैं।
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