Delta-Doped GeV in diamond with isotope resolvable optical spectra
यह शोध पत्र CVD के दौरान समयबद्ध GeH इंजेक्शन के माध्यम से हीरे में स्ट्रेन-मुक्त, डेल्टा-डोप्ड जर्मेनियम-वैकेंसी (GeV) केंद्रों के नियतात्मक निर्माण को प्रदर्शित करता है, जो उच्च प्राप्ति (yields) और संकीर्ण ऑप्टिकल लाइनविड्थ प्राप्त करता है जो आइसोटोप-विभेदित स्पेक्ट्रा और लंबी स्पिन कोहेरेंस समय को सक्षम बनाता है।
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क्वांटम इंटरनेट बनाने की खोज में, वैज्ञानिक छोटे, विश्वसनीय स्विच की तलाश कर रहे हैं जो क्वांटम मैकेनिक्स के विचित्र नियमों का उपयोग करके सूचना को संग्रहीत और प्रसारित कर सकें। इन स्विचों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार हीरे के भीतर पाए जाने वाले एक विशिष्ट प्रकार के दोष (defect) हैं, जिन्हें 'कलर सेंटर' के रूप में जाना जाता है। कल्पना कीजिए कि एक हीरा एक त्रुटिहीन रत्न नहीं है, बल्कि एक क्रिस्टल लैटिस है जहाँ एक परमाणु की जगह किसी अन्य तत्व, जैसे कि जर्मेनियम ने ले ली है। यह अपूर्णता एक इलेक्ट्रॉन को कैद करती है जो एक छोटे चुंबक, या स्पिन की तरह व्यवहार करता है, जिसे एक क्वांटम बिट, या क्वबिट के रूप में कार्य करने के लिए प्रकाश के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है। इन क्वबिट्स को एक वास्तविक नेटवर्क में काम करने के लिए, उन्हें अत्यधिक सटीकता के साथ रखा जाना चाहिए और उन सभी को बिल्कुल एक ही तरह से व्यवहार करना चाहिए। यदि वे बेतरतीब ढंग से बिखरे हुए हैं या यदि उनके आसपास का क्रिस्टल तनावपूर्ण या क्षतिग्रस्त है, तो उनके संकेत धुंधले और अविश्वसनीय हो जाते हैं, जिससे उन्हें आपस में जोड़ना असंभव हो जाता है।
शोधकर्ता लंबे समय से इन जर्मेनियम दोषों को नियंत्रित तरीके से बनाने के लिए संघर्ष कर रहे हैं। मानक विधि में हीरे में आयन (ions) दागना शामिल है, जो एक प्रक्रिया है जो कुछ हद तक लक्ष्य पर शॉटगन चलाने के समान है; जबकि यह जर्मेनियम परमाणुओं को वहीं स्थापित करता है जहाँ उनकी आवश्यकता होती है, यह आसपास की क्रिस्टल संरचना को भी छिन्न-भिन्न कर देता है और परमाणुओं को एक विस्तृत क्षेत्र में बिखेर देता है। यह क्षति एक अराजक वातावरण बनाती है जहाँ प्रत्येक दोष थोड़ा अलग तनाव का अनुभव करता है, जिससे उनके प्रकाश संकेत आपस में मिल जाते हैं। आगे बढ़ने के लिए, वैज्ञानिकों को इन दोषों को उनके निर्माण के दौरान सीधे हीरे के भीतर उगाने का एक तरीका चाहिए था, जिससे उन्हें एक पतली, पूर्ण परत में रखा जा सके, जैसा कि आयन बमबारी से होने वाली आकस्मिक क्षति से बचा जा सके।
शोधकर्ताओं ने अब यह हासिल कर लिया है कि एक मौजूदा हीरे के ऊपर हीरे की एक नई परत उगाकर, जर्मेनिक गैस को केवल एक संक्षिप्त क्षण के लिए सावधानीपूर्वक पेश करके दोषों की एक ऐसी शीट बनाई गई जो दस नैनोमीटर से भी कम मोटी है। इस तकनीक को 'डेल्टा-डोपिंग' कहा जाता है, जिसने उन्हें जर्मेनियम परमाणुओं को उस सटीकता के साथ रखने की अनुमति दी जो पहले असंभव थी। परिणामी परत उल्लेखनीय रूप से शुद्ध थी, जिसमें नाइट्रोजन या ऑक्सीजन की लगभग कोई अशुद्धियाँ नहीं थीं जो आमतौर पर हीरे के क्वांटम गुणों में हस्तक्षेप करती हैं। एक विशिष्ट कार्बन आइसोटोप से समृद्ध गैस का उपयोग करके, उन्होंने यह भी सुनिश्चित किया कि जर्मेनियम के आसपास के कार्बन परमाणु समान हों, जिससे क्वांटम संकेतों के भ्रम का एक और स्रोत दूर हो गया।
एक बार जब यह निर्मल परत विकसित हो गई, तो टीम ने जर्मेनियम के बगल में आवश्यक रिक्तियों (vacancies), या छूटे हुए कार्बन परमाणुओं को बनाने के लिए इलेक्ट्रॉनों की एक बीम का उपयोग किया। ये रिक्तियाँ सक्रिय क्वांटम दोष बनाने के लिए आवश्यक हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रक्रिया अत्यधिक कुशल थी, जिसने जर्मेनियम परमाणुओं के तत्काल पड़ोस में रिक्तियों को वांछित क्वांटम केंद्रों में 90% तक परिवर्तित कर दिया। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि उन्होंने हिंसक आयन इम्प्लांटेशन विधि से परहेज किया, क्रिस्टल लैटिस काफी हद तक अप्रभावित रहा। तनाव की इस कमी का अर्थ था कि दोषों द्वारा उत्सर्जित प्रकाश अविश्वसनीय रूप से तीक्ष्ण और स्पष्ट था।
संकेतों की इस स्पष्टता ने वैज्ञानिकों को वह देखने में सक्षम बनाया जो पिछले प्रयोगों में छिपा हुआ था: जर्मेनियम के विभिन्न आइसोटोप के विशिष्ट हस्ताक्षर। जर्मेनियम के कई प्राकृतिक प्रकार, या आइसोटोप होते हैं, जो वजन में थोड़े भिन्न होते हैं। एक क्षतिग्रस्त या तनावपूर्ण क्रिस्टल में, ये सूक्ष्म अंतर मिट जाते हैं, लेकिन इस नई, निर्मल परत में, शोधकर्ता विभिन्न आइसोटोप के प्रकाश संकेतों को स्पष्ट रूप से अलग करने में सक्षम थे, हालांकि उन्होंने नोट किया कि कुछ समूहों के बीच ओवरलैप होने के कारण कुछ आइसोटोप का निर्विवाद निर्धारण करना एक चुनौती थी। उन्होंने देखा कि दोष वजन के आधार पर विशिष्ट समूहों में बनते हैं, जिनमें सबसे आम समूह उनके प्रकाश आवृत्तियों में बहुत संकीर्ण प्रसार दिखाता है। क्वांटम नेटवर्किंग के लिए इस स्तर की सटीकता अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसका अर्थ है कि कई इन दोषों को एक ही आवृत्ति पर ट्यून किया जा सकता है, जो एक आवश्यकता है ताकि वे एक-दूसरे के साथ संवाद कर सकें।
टीम ने यह भी परीक्षण किया कि इन दोषों में क्वांटम सूचना को कितने समय तक संग्रहीत किया जा सकता है। उन्होंने इलेक्ट्रॉन स्पिन के सुसंगत (coherent) रहने के समय को मापा, और 730 नैनोसेकंड की निचली सीमा पाई। हालांकि यह एक ठोस परिणाम है, यह अन्य समान प्रणालियों में देखे गए सर्वोत्तम परिणामों की तुलना में कम था। शोधकर्ताओं ने इस सीमा का पता हीरे के पास छिपे एक विशिष्ट, अज्ञात चुंबकीय दोष के कारण लगाया। यह अदृश्य पड़ोसी उनके सिग्नल को समय के साथ बदलने (drift) का कारण बन रहा था, ठीक वैसे ही जैसे एक रेडियो स्टेशन जो धीरे-धीरे अपनी ट्यूनिंग खो देता है। हालांकि इस चुंबकीय हस्तक्षेप का स्रोत अभी भी एक रहस्य बना हुआ है, लेकिन तथ्य यह है कि टीम उस पर पहचान करने और उसके प्रभाव को मापने में सक्षम रही, यह एक महत्वपूर्ण कदम है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि हीरे में क्वांटम दोषों को नियंत्रण और शुद्धता के ऐसे स्तर के साथ उगाना संभव है जो अधिक विनाशकारी तरीकों के माध्यम से प्राप्त सर्वोत्तम परिणामों की बराबरी करता है। इन दोषों को सीधे क्रिस्टल के भीतर उगाकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा मंच बनाया है जहाँ न केवल दोषों को नैनोमीटर सटीकता के साथ रखा गया है, बल्कि वे एक तनाव-मुक्त वातावरण में भी मौजूद हैं जो उनके नाजुक क्वांटम गुणों को सुरक्षित रखता है। जबकि चुंबकीय पड़ोसी का रहस्य बना हुआ है, विभिन्न आइसोटोप को हल करने और ऐसे संकीर्ण प्रकाश संकेतों को प्राप्त करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि यह विधि अगली पीढ़ी के क्वांटम उपकरणों के निर्माण के लिए मानक बन सकती है। क्वांटम इंटरनेट का मार्ग अब अधिक स्पष्ट दिखता है, जो बल से टूटे हुए बजाय सावधानी से उगाए गए हीरों की नींव पर निर्मित है।
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