Cavity-assisted dynamic nuclear polarisation

क्वांटम भौतिकी की शांत और ठंडी दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर दृश्यता (visibility) की एक समस्या से जूझते हैं। परमाणुओं के सूक्ष्म चुंबकीय गुणों का अध्ययन करने के लिए, शोधकर्ता परमाणु चुंबकीय अनुनाद (न्यूक्लियर मैग्नेटिक रेजोनेंस) नामक एक तकनीक पर भरोसा करते हैं, जो तब सबसे अच्छा काम करती है जब परमाणु एक ही दिशा में संरेखित होते हैं, जिसे ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) के रूप में जाना जाता है। हालांकि, इन प्रयोगों के लिए आवश्यक अत्यंत निम्न तापमान पर, परमाणु आमतौर पर गर्मी के कारण इतने अस्त-व्यस्त होते हैं कि वे यादृच्छिक दिशाओं में होते हैं, जिससे उन्हें पहचानना लगभग असंभव हो जाता है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से परमाणुओं को संरेखित करने के लिए मजबूर करने की कोशिश करते रहे हैं, अक्सर जटिल रासायनिक युक्तियों का उपयोग करके या उन्हें और अधिक ठंडा करके। लेकिन सुपरकंडक्टिंग सर्किट के विशिष्ट वातावरण में, जिसका उपयोग क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए किया जाता है, जहाँ तापमान इतना कम होता है कि ध्वनि तरंगें ऊर्जा को दूर नहीं ले जा सकतीं, ये पारंपरिक विधियाँ अक्सर विफल हो जाती हैं। चुनौती उन सामान्य शीतलन तंत्रों पर निर्भर किए बिना इन परमाणु स्पिनों को संरेखित करने का एक नया तरीका खोजने की है जो जम कर ठोस हो चुके हैं।

फ्रांस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक माइक्रोवेव कैविटी का उपयोग करके ऊर्जा के लिए 'वन-वे स्ट्रीट' (एकतरफा मार्ग) के रूप में कार्य करके इस समस्या को हल करने की एक नई विधि का प्रदर्शन किया है। उन्होंने अल्ट्रा-प्योर सिलिकॉन की चिप में अंतर्निहित बिस्मथ परमाणुओं के एक संग्रह के साथ काम किया। प्रत्येक बिस्मथ परमाणु एक छोटे चुंबक की तरह कार्य करता है जिसके दो भाग होते हैं: एक इलेक्ट्रॉन स्पिन और एक परमाणु स्पिन। इलेक्ट्रॉन स्पिन को नियंत्रित करना आसान है, जबकि परमाणु स्पिन वह है जिसे वैज्ञानिक सूचना संग्रहीत करने के लिए संरेखित करना चाहते हैं। शोधकर्ताओं ने इन परमाणुओं को एक सुपरकंडक्टिंग रेज़ोनेटर के पास रखा, जो एक ऐसा उपकरण है जो माइक्रोवेव प्रकाश को कैद कर सकता है। इस रेज़ोनेटर की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, उन्होंने एक विशेष स्थिति बनाई जहाँ इलेक्ट्रॉन स्पिन अपनी ऊर्जा को एक माइक्रोवेव फोटॉन के रूप में सामान्य से बहुत तेज़ी से छोड़ सकता था। यह घटना, जिसे पर्कल प्रभाव (पर्सेल इफेक्ट) के रूप में जाना जाता है, प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉन से ऊर्जा को निकाल देती है, जिससे वह एक विशिष्ट निम्न-ऊर्जा अवस्था में चला जाता है।

प्रयोग में इलेक्ट्रॉन से नाभिक (न्यूक्लियस) तक संरेखण को स्थानांतरित करने की एक चतुर, चरण-दर-चरण प्रक्रिया शामिल थी। सबसे पहले, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉन की अवस्था को एक विशिष्ट परमाणु अवस्था के साथ बदलने के लिए एक माइक्रोवेव पल्स का उपयोग किया। फिर, उन्होंने परमाणु अवस्था को एक पड़ोसी अवस्था के साथ बदलने के लिए एक रेडियो-फ्रीक्वेंसी पल्स का उपयोग किया। अंत में, उन्होंने इलेक्ट्रॉन को रेज़ोनेटर में एक फोटॉन उत्सर्जित करके अपनी प्रारंभिक स्थिति में वापस जाने दिया। चूंकि इलेक्ट्रॉन को एक विशिष्ट अवस्था में गिरने के लिए मजबूर किया गया था, इसलिए परमाणु स्पिन एक नई, संरेखित विन्यास (कॉन्फ़िगरेशन) में पीछे रह गया। इस चक्र को आठ बार दोहराकर, परमाणुओं की आबादी को चरण-दर-चरण एक एकल लक्ष्य अवस्था में ले जाकर, वे परमाणुओं को एक ही दिशा में केंद्रित करने में सक्षम हुए। परिणाम यह था कि एक ही दिशा में इशारा करने वाले परमाणुओं की संख्या में उल्लेखनीय वृद्धि हुई, जिससे शुरुआती बिंदु की तुलना में सिग्नल की ताकत में 4.6 गुना वृद्धि हुई।

हालांकि टीम ने एक मजबूत सुधार हासिल किया, लेकिन उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया पूर्ण सैद्धांतिक सीमा—जो मूल सिग्नल का नौ गुना है—तक नहीं पहुँच सकी। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे अधिक परमाणु लक्ष्य अवस्था में जमा होने लगे, वही तंत्र जिसने उन्हें संरेखित करने में मदद की थी, धीमा होने लगा। परमाणु रेज़ोनेटर के माध्यम से एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करने लगे, जिससे एक सामूहिक प्रभाव पैदा हुआ जिसने इलेक्ट्रॉन के लिए अपनी ऊर्जा छोड़ना कठिन बना दिया। इसके अतिरिक्त, स्पिन के बीच प्राकृतिक अंतःक्रियाओं के कारण कुछ परमाणु लक्ष्य अवस्था से बाहर निकल गए। इन सीमाओं के बावजूद, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि उनकी विधि तब भी काम करती है जब सामान्य शीतलन तंत्र जम चुके होते हैं। यह सफलता बताती है कि परमाणुओं के उनके विद्युत चुम्बकीय वातावरण के साथ होने वाली अंतःक्रिया को इंजीनियर करके, वैज्ञानिक अधिक शक्तिशाली क्वांटम मेमोरी बना सकते हैं और चुंबकीय अनुनाद पहचान की संवेदनशीलता में सुधार कर सकते हैं, जो क्वांटम दुनिया के स्पष्ट दृश्यों के लिए एक मार्ग खोलता है।