Room-temperature near-infrared optical readout of triplet spin states integrated in carbon nanotubes towards quantum sensing
यह शोध पत्र सिंगल-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब में पैरा-हैलोफेनिल क्वांटम दोषों को ट्रिपलेट स्पिन अवस्थाओं को इनिशियलाइज़ करने और उनके रीडआउट के लिए एक सुदृढ़, कमरे के तापमान पर, निकट-अवरक्त (नियर-इन्फ्रारेड) ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म के रूप में प्रस्तुत करता है, जो परिवेशी स्थितियों के तहत पैरामैग्नेटिक अणुओं की उच्च-फोटोस्टेबिलिटी क्वांटम सेंसिंग को सक्षम बनाता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ सूक्ष्म सेंसर एक एकल अणु की सबसे हल्की चुंबकीय फुसफुसाहट का पता लगा सकें, जो किसी ठंडे प्रयोगशाला में नहीं, बल्कि यहीं सामान्य कमरे की गर्माहट में काम कर रहे हों। यह क्वांटम सेंसिंग का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो क्वांटम दुनिया के अजीब नियमों का उपयोग करके असंभव सटीकता के साथ चीजों को मापने का प्रयास करता है। वर्षों से, वैज्ञानिक ठोस पदार्थों में विशिष्ट दोषों (defects) पर निर्भर रहे हैं, जैसे कि हीरे में छोटे छेद, ताकि वे इन सेंसरों के रूप में कार्य कर सकें। ये दोष एक विशिष्ट प्रकार का स्पिन धारण कर सकते हैं, जो एक क्वांटम गुण है और एक छोटी दिशा-सूचक सुई की तरह कार्य करता है, और शोधकर्ता प्रकाश का उपयोग करके इस सुई की दिशा को पढ़ सकते हैं। हालाँकि, इन ठोस सेंसरों को ठीक उसी स्थान पर रखना कठिन होता है जहाँ उनकी आवश्यकता होती है, और उन्हें ट्यून करना भी अक्सर मुश्किल होता है। दूसरी ओर, वैज्ञानिकों ने कार्बनिक अणुओं का उपयोग करके शून्य से सेंसर बनाने का प्रयास किया है, लेकिन वे सामान्य परिस्थितियों में नाजुक और अस्थिर होते हैं। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने की थी जो एक ठोस की स्थिरता और एक अणु के लचीलेपन और सटीकता को जोड़ सके, और वह भी कमरे के तापमान पर काम कर सके।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक साधारण कार्बन नैनोट्यूब को ऐसे सेंसर में बदलने का तरीका खोज लिया है। कार्बन नैनोट्यूब कार्बन परमाणुओं से बनी अविश्वसनीय रूप से पतली, नली के आकार की संरचनाएं हैं, जो अपनी मजबूती और अद्वितीय विद्युत गुणों के लिए जानी जाती हैं। शोधकर्ताओं ने इन नलियों को लिया और रासायनिक रूप से उनकी सतह पर परमाणुओं के छोटे समूहों को जोड़ा, जिससे "दोष" (defects) बन गए। इन दोषों को जानबूझकर बनाई गई खामियों के रूप में समझें जो ऊर्जा को कैद करती हैं। जब टीम ने इन संशोधित नलियों पर एक विशिष्ट रंग की लेजर लाइट डाली, तो कैद हुई ऊर्जा ने एक विशेष अवस्था बनाई जिसे "ट्रिपलेट एक्सिटॉन" (triplet exciton) कहा जाता है। यह अवस्था एक छोटे चुंबक की तरह व्यवहार करती है जिसका एक स्पिन होता है जिसे नियंत्रित किया जा सकता है। इस कार्य में बड़ी सफलता यह थी कि टीम ने प्रदर्शित किया कि वे इस स्पिन अवस्था को शुरू (initialize) कर सकते हैं और प्रकाश का उपयोग करके इसे पढ़ सकते हैं, और यह सब तब भी संभव हुआ जब नलियाँ कमरे के तापमान पर एक तरल में मौजूद थीं। उन्होंने इसे 'ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस' नामक तकनीक का उपयोग करके हासिल किया, जिसमें नमूने पर माइक्रोवेव डालकर स्पिन को पलटा जाता है और यह देखा जाता है कि नलियों से निकलने वाले प्रकाश में इसके जवाब में क्या बदलाव आता है।
शोधकर्ताओं ने इस पद्धति का परीक्षण करने के लिए नैनोट्यूब का उपयोग किया जिन्हें एक पॉलीमर में लपेटा गया था और एक तरल विलायक (solvent) में फैलाया गया था। उन्होंने नैनोट्यूब से विभिन्न प्रकार के हैलोजन परमाणुओं को जोड़ा और पाया कि सिस्टम इस बात पर निर्भर किए बिना विश्वसनीय रूप से काम करता कि उन्होंने किस परमाणु का उपयोग किया है। सबसे आश्चर्यजनक खोज यह थी कि नैनोट्यूब के चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष अभिविन्यास (orientation) के आधार पर सिग्नल कैसे व्यवहार करता है। जब नलियाँ चुंबकीय क्षेत्र के समानांतर (parallel) संरेखित थीं, तो सिग्नल इस तरह से बदला जो अन्य दिशाओं में संरेखित होने पर पूरी तरह से अलग था। यह व्यवहार बहुत कम तापमान पर नहीं देखा गया था, लेकिन जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, यह उभर आया और कमरे के तापमान पर स्थिर हो गया। टीम का सुझाव है कि यह अनूठा व्यवहार इसलिए उत्पन्न होता है क्योंकि गर्मी नैनोट्यूब के भीतर विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं को मिलाने में मदद करती है, जिससे स्पिन एक विशिष्ट तरीके से संरेखित हो जाते हैं जो उन्हें प्रकाश के साथ आसानी से पहचानने योग्य बनाता है। यह तंत्र इस प्रकार काम करता है कि इसे उन अत्यधिक ठंड की आवश्यकता नहीं होती जो आमतौर पर इतने नाजुक क्वांटम मापन के लिए आवश्यक होती है।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह नया सेंसर वास्तव में चीजों का पता लगा सकता है, शोधकर्ताओं ने इसका परीक्षण एक स्थिर, स्वतंत्र रूप से तैरते हुए अणु, जिसे 'रेडिकल' (radical) कहा जाता है, के विरुद्ध किया। जब उन्होंने नैनोट्यूब वाले घोल में इन रेडिकल अणुओं को मिलाया, तो नैनोट्यूब से मिलने वाला सिग्नल काफी कम हो गया। यह गिरावट इसलिए हुई क्योंकि रेडिकल अणुओं की चुंबकीय प्रकृति ने नैनोट्यूब की स्पिन अवस्थाओं में हस्तक्षेप किया और जानकारी को अस्त-व्यस्त कर दिया। महत्वपूर्ण रूप से, जब उन्होंने एक समान अणु का परीक्षण किया जिसमें यह चुंबकीय गुण नहीं था, तो सिग्नल अपरिवर्तित रहा। इसने पुष्टि की कि सेंसर विशेष रूप से लक्षित अणुओं की चुंबकीय उपस्थिति के प्रति प्रतिक्रिया दे रहा था, न कि केवल उनकी भौतिक उपस्थिति या रासायनिक वातावरण के प्रति। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि सिस्टम तब भी काम करता है जब घोल में ऑक्सीजन मौजूद हो, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह बिना किसी विशेष सुरक्षात्मक वातावरण के सामान्य, रोजमर्रा की हवा में काम कर सकता है।
अंत में, टीम ने बड़े, जटिल प्रयोगशाला उपकरणों से आगे बढ़कर यह दिखाने के लिए कि इस तकनीक को पोर्टेबल बनाया जा सकता है, संशोधित नैनोट्यूब की एक पतली फिल्म को एक छोटे, सरल एंटीना पर रखा जो माइक्रोवेव उत्पन्न करने में सक्षम है। एंटीना के माध्यम से लेजर की रोशनी डालकर और उससे निकलने वाले प्रकाश को मापकर, वे उसी स्पिन सिग्नल का पता लगाने में सक्षम रहे, हालांकि बड़े सेटअप की तुलना में सिग्नल थोड़ा कमजोर था। यह प्रदर्शन सुझाव देता है कि इन सेंसरों को अंततः छोटे, चिप-आकार के उपकरणों में बनाया जा सकता है। ऐसे उपकरणों का उपयोग चुंबकीय क्षेत्रों का मौके पर पता लगाने या जटिल वातावरण में जैविक अणुओं को महसूस करने के लिए किया जा सकता है, और यह सब वास्तविक दुनिया की गर्म, परिवेशी स्थितियों के तहत किया जा सकता है। यह कार्य मजबूत, स्केलेबल क्वांटम सेंसर बनाने के लिए एक नया मार्ग स्थापित करता है जिन्हें पहले आवश्यक मानी जाने वाली अत्यधिक परिस्थितियों की आवश्यकता नहीं होती।
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