Probing wetting and solidification dynamics of neon thin films with a high- superconducting circuit
यह अध्ययन ट्रिपल पॉइंट के पास तरल नियॉन फिल्मों की जटिल वेटिंग (wetting), ड्रेनेज (drainage) और दोलन गतिकी (oscillation dynamics) को चरित्रित करने के लिए एक उच्च- सुपरकंडक्टिंग रेज़ोनेटर का उपयोग करता है, जो यह प्रकट करता है कि जबकि हर्मेटिक पैकेजिंग गैर-संतुलन द्रव व्यवहारों और निम्न माइक्रोवेव हानि के अन्वेषण को सक्षम बनाती है, यह क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए ठोस नियॉन फिल्में उगाने के लिए आवश्यक सटीक मोटाई नियंत्रण प्रदान करने में विफल रहती है।
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बेहतर क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक लगातार ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो नाजुक क्वांटम सूचना को आसपास की दुनिया में खोए बिना सुरक्षित रख सकें। एक आशाजनक मार्ग में जमी हुई गैसों, विशेष रूप से नियॉन (neon) की सतह पर इलेक्ट्रॉनों को फंसाना शामिल है। चूंकि ठोस नियॉन अविश्वसनीय रूप से शुद्ध है और इसमें कई अन्य सामग्रियों में पाए जाने वाले चुंबकीय शोर (magnetic noise) का अभाव है, इसलिए इसके ऊपर मंडराते इलेक्ट्रॉन आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक अपनी क्वांटम अवस्था बनाए रख सकते हैं। हालांकि, इन इलेक्ट्रॉनों को सूचना के विश्वसनीय बिट्स के रूप में उपयोग करने के लिए, शोधकर्ताओं को नियॉन की फिल्म को अत्यधिक सटीकता के साथ उगाने की आवश्यकता है। चुनौती यह है कि नियॉन को जमाने के लिए आवश्यक स्थितियां उन तापमानों से बहुत अधिक गर्म होती हैं जहाँ मानक क्वांटम सर्किट आमतौर पर संचालित होते हैं, जिससे फिल्म को बनते हुए वास्तविक समय में देखना कठिन हो जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक विशेष प्रकार के सुपरकंडक्टिंग (अतिचालक) पदार्थ की ओर रुख किया है जो इन उच्च तापमानों पर भी सक्रिय रहता है, जिससे वे जमने की प्रक्रिया को सीधे देख पाते हैं।
शिकागो विश्वविद्यालय और स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस दृष्टिकोण का उपयोग करके यह देखने के लिए कि नियॉन फिल्में बनते और जमते समय कैसा व्यवहार करती हैं। उन्होंने YBCO नामक एक उच्च-तापमान वाले सुपरकंडक्टर से बना एक छोटा, संवेदनशील सेंसर बनाया, जो नियॉन के तरल होने पर भी सुपरकंडक्टिंग बना रहता है। इस सेंसर को एक सीलबंद कंटेनर के अंदर रखा गया था जहाँ वे नियॉन गैस डाल सकते थे और उसे ठंडा कर सकते थे। सेंसर के विद्युत कंपनों (electrical vibrations) में बदलाव को मापकर, टीम ने नियॉन की परत की मोटाई को गैस से तरल और अंततः ठोस में बदलने के दौरान ट्रैक किया। इस सेटअप ने उन्हें वास्तविक समय में इस प्रक्रिया को देखने की अनुमति दी, जो मानक उपकरणों के साथ पहले असंभव था जो इन तापमानों पर काम करना बंद कर देते हैं।
जैसे ही उन्होंने कंटेनर को नियॉन गैस से भरा और इसे जमने के बिंदु से ठीक ऊपर तक ठंडा किया, शोधकर्ताओं ने सेंसर पर तरल फिल्म को फैलते हुए देखा। शुरुआत में, नियॉन ने एक बहुत ही पतली, एकसंगी परत बनाई जो लगभग 20 नैनोमीटर की मोटाई पर स्थिर हुई। एक बार जब यह पतली परत पूरी हो गई, तो अधिक नियॉन डालने से फिल्म काफी मोटी हो गई, लेकिन व्यवहार अप्रत्याशित हो गया। कुछ मामलों में, तरल का स्तर अनियंत्रित रूप से घटता-बढ़ता रहा, बिना कोई नई गैस डाले भी लयबद्ध तरंगों में ऊपर-नीचे होता रहा। यह अस्थिरता बताती है कि इस वातावरण में मोटी तरल फिल्में गर्मी और वाष्पीकरण में सूक्ष्म परिवर्तनों के प्रति अत्यंत संवेदनशील हैं। टीम ने यह भी पाया कि वे सेंसर पर एक छोटा विद्युत वोल्टेज लगाकर तरल फिल्म की मोटाई को नियंत्रित कर सकते थे, जो तरल को करीब खींचता था और फिल्म को मोटा बनाता था। फिल्म को यथास्थान ट्यून करने की यह क्षमता इन सामग्रियों के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है।
प्रयोग का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा यह देखना था कि जब तरल नियॉन ठोस में जम गया तो क्या हुआ। शोधकर्ताओं ने सिस्टम को जमने के बिंदु से नीचे ठंडा किया और परिणामी ठोस फिल्म की मोटाई को मापा। उन्होंने पाया कि ठोस फिल्म लगभग हमेशा अपने मूल तरल की तुलना में बहुत पतली थी, जो अक्सर दस गुना या उससे अधिक कम हो जाती थी। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने पाया कि वे तरल परत के जमने से पहले की मोटाई के आधार पर अंतिम ठोस फिल्म की मोटाई का अनुमान नहीं लगा सकते थे। चाहे वे एक पतली तरल परत से शुरू करें या एक मोटी, परिणामी ठोस फिल्म की मोटाई व्यापक रूप से भिन्न थी, जो शुरुआती स्थितियों के साथ कोई मजबूत संबंध नहीं दिखाती थी। नियंत्रण की यह कमी बताती है कि जमने की प्रक्रिया अराजक और गैर-समान (non-uniform) है, जो उच्च-प्रदर्शन वाले क्वांटम उपकरणों के लिए आवश्यक सटीक, एकसमान फिल्में बनाने के लिए एक बड़ी बाधा है।
फिल्म की मोटाई को नियंत्रित करने की चुनौतियों के बावजूद, शोधकर्ताओं ने सेंसर पर नियॉन होने का एक आश्चर्यजनक लाभ पाया। जैसे-जैसे नियॉन फिल्म बढ़ी, सेंसर के विद्युत संकेत की गुणवत्ता वास्तव में बेहतर हुई, जो अधिक तीक्ष्ण और स्थिर हो गई। यह सुधार तरल और ठोस दोनों प्रकार के नियॉन के लिए हुआ। टीम ने जांच की कि क्या यह केवल इसलिए था क्योंकि नियॉन बिजली के नुकसान के किसी अन्य स्रोत को रोक रहा था, लेकिन उनके गणनाओं ने दिखाया कि ऐसा नहीं था। इसके बजाय, नियॉन फिल्म की उपस्थिति सुपरकंडक्टर के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया करती है कि ऊर्जा का नुकसान कम हो जाता है, संभवतः सामग्री के भीतर सूक्ष्म विद्युत आवेशों के व्यवहार को प्रभावित करके। यह निष्कर्ष बताता है कि सुपरकंडक्टिंग सर्किट को संघनित उत्कृष्ट गैसों (noble gases) से लेपित करने से वे वास्तव में बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं, न कि केवल एक निष्क्रिय परत के रूप में।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि जबकि वायुरोधी (hermetically sealed) कंटेनर नियॉन फिल्मों की जटिल और अक्सर अराजक गतिशीलता को देखने के लिए उत्कृष्ट हैं, वे सटीक रूप से नियंत्रित मोटाई के साथ ठोस नियॉन उगाने के लिए सर्वोत्तम विधि नहीं हो सकते हैं। जमने की प्रक्रिया एक गैर-संतुलन (non-equilibrium) घटना प्रतीत होती है जहाँ अंतिम परिणाम काफी हद तक अप्रत्याशित होता है। इलेक्ट्रॉन-आधारित क्वांटम कंप्यूटरों के भविष्य के लिए, इसका अर्थ यह है कि शोधकर्ताओं को इन फिल्मों को उगाने के लिए वैकल्पिक तरीकों की तलाश करनी होगी, शायद तरल को जमाने के बजाय सीधे ठंडी सतह पर गैस को जमाकर। ऐसे तरीके अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक के लिए आवश्यक चिकनी, एकसमान सतहों को बनाने के लिए आवश्यक सटीक नियंत्रण प्रदान कर सकते हैं।
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