Development of a fabrication-to-benchtop process for SiN-based quantum devices

आधुनिक संचार की दुनिया में, प्रकाश हमारा डेटा ले जाता है, लेकिन जिन सामग्रियों जो इसे निर्देशित करती हैं, वे अक्सर एक मौलिक समझौते (trade-off) से जूझती हैं। सूचना को तेजी से और कुशलता से संसाधित करने के लिए, इंजीनियरों को ऐसी सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो ऊर्जा खोए बिना या सिग्नल को विकृत किए बिना प्रकाश को तंग, सघन रास्तों में मोड़ सकें। सिलिकॉन नाइट्राइड इस काम के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार के रूप में उभरा है। यह एक कठोर, पारदर्शी सिरेमिक है जो प्रकाश को बहुत कम हानि के साथ यात्रा करने देता है और बिना टूटे ऊर्जा के उच्च स्तर को संभाल सकता है। कुछ अन्य सामग्रियों के विपरीत, यह इस तरह से प्रकाश को अवशोषित नहीं करता है जिससे अवांछित गर्मी या शोर पैदा हो, जो इसे क्वांटम कंप्यूटिंग के नाजुक कार्य के लिए आदर्श बनाता है, जहाँ सूचना प्रकाश के व्यक्तिगत कणों द्वारा ले जाई जाती है। हालाँकि, इस आशाजनक सामग्री को एक कामकाजी उपकरण में बदलना कठिन है। चिप पर इस सामग्री को उगाने की प्रक्रिया सटीक होनी चाहिए; यदि रासायनिक संतुलन थोड़ा भी बिगड़ा, तो प्रकाश अप्रत्याशित तरीकों से धीमा या तेज हो जाता है, जिससे उपकरण की कार्य करने की क्षमता नष्ट हो जाती है।

कार्लटन यूनिवर्सिटी और नेशनल रिसर्च काउंसिल ऑफ कनाडा के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक पूर्ण रोडमैप विकसित किया है, जो उस कारखाने के फर्श से लेकर प्रयोगशाला के बेंच तक जाता है जहाँ इनका परीक्षण किया जाता है। उनका काम सिलिकॉन नाइट्राइड फिल्मों के निर्माण में एक विशिष्ट रासायनिक संतुलन, जिसे स्टोइकीओमेट्री (stoichiometry) कहा जाता है, में महारत हासिल करने पर केंद्रित है, जो यह सुनिश्चित करता है कि सामग्री बिल्कुल वैसा ही व्यवहार करे जैसा अनुमान लगाया गया है। निर्माण प्रक्रिया के दौरान तापमान और गैस मिश्रण को नियंत्रित करके, उन्होंने ऐसी फिल्में बनाईं जो अपनी संरचना में लगभग पूर्ण थीं। उन्होंने फिर इन फिल्मों को उच्च सटीकता के साथ मापा, उनकी मोटाई, उनकी रासायनिक शुद्धता और वे सिलिकॉन वेफर पर कितना तनाव डालती हैं, इसकी जांच की। इस सावधानीपूर्वक निगरानी से पता चला कि निर्माण के दौरान सामग्री के पिछले हिस्से को हटाने से आंतरिक तनाव बदल गया, जिसने बदले में उनके अपवर्तनांक (refractive index) को थोड़ा बदल दिया—जो कि इस बात का माप है कि वह प्रकाश को कितना मोड़ता है। इस बदलाव को समझना महत्वपूर्ण था, क्योंकि इसने टीम को यह अनुमान लगाने की अनुमति दी कि अंतिम उपकरण के माध्यम से प्रकाश कैसे यात्रा करेगा।

इन सटीक मापों के साथ, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान एक विशिष्ट प्रकार के उपकरण की ओर लगाया जिसे माइक्रोरिंग रेज़ोनेटर (microring resonator) कहा जाता है। प्रकाश के लिए एक छोटे रेसट्रैक की कल्पना करें, जहाँ प्रकाश की एक किरण एक लूप में घूमती है। ये रिंग शक्तिशाली उपकरण हैं क्योंकि वे प्रकाश को पकड़ सकते हैं और विशिष्ट रंगों को प्रवर्धित (amplify) कर सकते हैं, जिससे आवृत्तियों का एक स्थिर, दोहराव वाला पैटर्न बनता है। टीम ने अपने सिलिकॉन नाइट्राइड के वास्तविक दुनिया के मापों का उपयोग करके इन रिंगों का एक कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने सिम्युलेट किया कि लूप के भीतर प्रकाश कैसा व्यवहार करेगा, विशेष रूप से एक 'सॉलिटन' (soliton) नामक घटना की तलाश करते हुए। सॉलिटन प्रकाश का एक विशेष प्रकार का पल्स है जो यात्रा करते समय अपना आकार और गति बनाए रखता है, और प्रकाश तरंगों के फैलने और धुंधले होने की प्राकृतिक प्रवृत्ति का विरोध करता है। अपने सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि रिंग के आकार और इसमें प्रवेश करने वाली प्रकाश की शक्ति को ट्यून करके, वे इन स्थिर पल्स को उत्पन्न कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि यदि इनपुट पावर बिल्कुल सही हो, तो प्रकाश का पल्स एक एकल, साफ सॉलिटन बना सकता है, लेकिन बहुत अधिक पावर के कारण पल्स टूट सकता है या बेतहाशा दोलन (oscillate) कर सकता है।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि शुरुआत से अंत तक निर्माण प्रक्रिया को नियंत्रित करना इन उपकरणों की पूरी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी है। टीम ने प्रदर्शित किया कि उनकी इन-हाउस विधि अत्यधिक कम सिग्नल हानि वाले वेवगाइड्स बना सकती है, जो औद्योगिक प्रयोगशालाओं में देखे गए सर्वश्रेष्ठ परिणामों के तुल्य है। उन्होंने दिखाया कि उनके सामग्री के सटीक अपवर्तनांक को जानकर, वे माइक्रोरिंग रेज़ोनेटर को डिजाइन कर सकते हैं जो प्रकाश की एक विशिष्ट रेंज जिसे O-बैंड कहा जाता है, में ऑप्टिकल सॉलिटन उत्पन्न करते हैं, जो भविष्य के संचार नेटवर्क की क्षमता बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण है। हालांकि इन सॉलिटन का उत्पादन उनके मापे गए डेटा पर आधारित सिमुलेशन के माध्यम से किया गया था, लेकिन परिणाम वास्तविक दुनिया के क्वांटम उपकरणों के निर्माण के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं। यह कार्य सिद्ध करता है कि जब फैब्रिकेशन और मॉडलिंग आपस में मजबूती से जुड़े होते हैं, तो वैज्ञानिक चिप पर प्रकाश के व्यवहार की भविष्यवाणी और अनुकूलन कर सकते हैं, जिससे उन उन्नत क्वांटम कंप्यूटरों और संचार प्रणालियों का मार्ग प्रशस्त होता है जो प्रकाश के सटीक नियंत्रण पर निर्भर करते हैं।