Majorana Edge-to-bound State Transition in Interferometric Superconductor Rings
यह शोध पत्र 2M-WS सुपरकंडक्टिंग रिंग्स में कोहेरेंस लेंथ (coherence length) को एनुलस की चौड़ाई के सापेक्ष ट्यून करके टोपोलॉजिकल एज स्टेट्स को वोर्टेक्स बाउंड स्टेट्स में बदलने की एक रणनीति प्रदर्शित करता है, जिसे लिटिल-पार्क्स ऑसिलेशन्स और सिमुलेशन द्वारा पुष्ट किया गया है, जो टोपोलॉजिकल क्वांटम कंप्यूटिंग में फ्लक्स हेरफेर के लिए नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।
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क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक लगातार ऐसे कंप्यूटर बनाने के तरीके खोज रहे हैं जो उन त्रुटियों से मुक्त हों जो आज की मशीनों को प्रभावित करती हैं। एक आशाजनक मार्ग एक विशेष प्रकार की सामग्री से जुड़ा है जिसे टोपोलॉजिकल सुपरकंडक्टर (topological superconductor) कहा जाता है। इन सामग्रियों के भीतर, बिजली बिना किसी प्रतिरोध के बहती है, और यदि आप एक सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र पेश करते हैं, तो यह एक घूमता हुआ भंवर (vortex) बना देता है। सैद्धांतिक रूप से, इन भंवरों का केंद्र 'माजोराना ज़ीरो मोड' (Majorana zero mode) नामक एक अद्वितीय कण को फंसा सकता है। ये कण विशेष हैं क्योंकि वे स्वयं के एंटीपार्टिकल (antiparticle) हैं और इनका उपयोग जानकारी को इस तरह से संग्रहीत करने के लिए किया जा सकता है जो बाहरी शोर से स्वाभाविक रूप से सुरक्षित है। गणना करने के लिए इनका उपयोग करने हेतु, शोधकर्ताओं को इन कणों को इधर-उधर ले जाने और उन्हें एक साथ गूंथने (braid) में सक्षम होना चाहिए, ठीक वैसे ही जैसे रस्सी के धागों को बुना जाता है। हालांकि, सामग्री के एक बहुत छोटे छल्ले (ring) के भीतर इन भंवरों के सटीक स्थान को नियंत्रित करना एक कठिन चुनौती रही है, क्योंकि वे ऐसे तरीकों से व्यवहार करते हैं जिन्हें समझना या नियंत्रित करना कठिन होता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब केवल तापमान बदलकर इस व्यवहार को नियंत्रित करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। 2M-WS2 नामक एक सामग्री के साथ काम करते हुए, जो एक टोपोलजिकल सुपरकंडक्टर के रूप में कार्य करती है, उन्होंने सूक्ष्म छल्ले या नैनो-रिंग्स बनाए, जो केवल कुछ सौ नैनोमीटर चौड़े थे। उन्होंने देखा कि जब वे इन रिंग्स को ठंडा कर रहे थे, तो चुंबकीय क्षेत्र उनके साथ कैसे व्यवहार करता है। उच्च तापमान पर, चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं, या फ्लक्स क्वांटा (flux quanta), रिंग के बिल्कुल केंद्र में खाली स्थान में एकत्रित हुईं, जैसे लकड़ियों का एक बंडल हो। यह एक ज्ञात अवस्था है जहाँ चुंबकीय क्षेत्र रिंग के ठोस हिस्से से पूरी तरह बचता है। हालाँकि, जैसे ही शोधकर्ताओं ने तापमान कम किया, कुछ अप्रत्याशित हुआ। चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं केंद्र में नहीं रहीं। इसके बजाय, वे रिंग की ठोस दीवार के भीतर चली गईं, और रिंग के गोलाकार पथ के साथ मोतियों की एक माला की तरह फैल गईं।
केंद्रीय बंडल से माला जैसी व्यवस्था में इस बदलाव का पता रिंग के विद्युत प्रतिरोध को मापकर लगाया गया था, जबकि एक चुंबकीय क्षेत्र लागू किया गया था। शोधकर्ताओं ने प्रतिरोध में एक विशिष्ट पैटर्न की तलाश की, जिसे लिटिल-पार्क्स प्रभाव (Little-Parks effect) के रूप में जाना जाता है, जो चुंबकीय क्षेत्र बदलने पर दोलन (oscillate) करता है। जब चुंबकीय फ्लक्स केंद्र में था, तो पैटर्न एक अनुमानित, छोटे अंतराल पर दोहराया गया। लेकिन जब तापमान गिरा और फ्लक्स रिंग की दीवार में चला गया, तो पैटर्न नाटकीय रूप से बदल गया। चोटियों (peaks) के बीच का अंतराल बहुत बढ़ गया, जो लगभग 70 mT तक पहुँच गया। यह विस्तार इस बात का मुख्य संकेत था कि चुंबकीय फ्लक्स ने खुद को एक केंद्रीय क्लस्टर से बदलकर रिंग की दीवार के साथ वितरित कई व्यक्तिगत भंवरों में पुनर्गठित कर लिया था। टीम ने अपने परिणामों की कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ तुलना करके इसकी पुष्टि की, जिससे पता चला कि यह संक्रमण केवल तभी होता है जब सामग्री में विशिष्ट गुण होते हैं जो चुंबकीय भंवरों को दीवार के साथ "फंसाने" या पिन करने की अनुमति देते हैं, न कि उन्हें वापस केंद्र की ओर धकेलते हैं।
इस खोज का महत्व केवल चुंबकीय क्षेत्रों को हिलाने से कहीं अधिक है। शोधकर्ताओं ने उन्नत गणनाओं का उपयोग करके दिखाया कि जब ये भंवर रिंग की दीवार में स्थित होते हैं, तो उनके कोर उन माजोराना ज़ीरो मोड्स को धारण करते हैं जिन्हें वे खोज रहे थे। केंद्रीय बंडल विन्यास (configuration) में, ये विशेष अवस्थाएं रिंग के किनारों के साथ विस्तृत तरंगों (extended waves) के रूप में मौजूद होती हैं। लेकिन माला वाले विन्यास में, वे मजबूती से सीमित, केंद्रित बिंदुओं के रूप में प्रत्येक भंवर के ठीक बीच में आ जाती हैं। विस्तारित अवस्था से स्थानीयकृत (localized) अवस्था में यह संक्रमण महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक स्थिर वातावरण बनाता है जहाँ इन क्वांटम कणों को नियंत्रित किया जा सकता है। टीम ने नाइओबियम (niobium) और नाइओबियम डिसेलनाइड (niobium diselenide) जैसी अन्य सामग्रियों का भी परीक्षण किया, जो मानक सुपरकंडक्टर हैं। उन्होंने पाया कि इन सामग्रियों ने समान परिस्थितियों में भी यह माला जैसा व्यवहार नहीं दिखाया। इससे यह सिद्ध हुआ कि यह प्रभाव 2M-WS2 सामग्री में पाए जाने वाले गुणों के एक विशिष्ट संयोजन पर निर्भर करता है, विशेष रूप से चुंबकीय भंवरों को मजबूती से पिन करने की इसकी क्षमता पर।
यह कार्य भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण खंडों (building blocks) को प्रबंधित करने के लिए एक नई रणनीति प्रदान करता है। केवल तापमान को समायोजित करके, वैज्ञानिक अब एक उपकरण को दो अलग-अलग अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकते हैं: एक जहाँ चुंबकीय फ्लक्स केंद्र में है, और दूसरी जहाँ यह रिंग की दीवार के साथ वितरित है, जो अपने साथ वांछित क्वांटम अवस्थाओं को ले जाता है। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि इन भंवरों की स्थिति को नियंत्रित करने की यह क्षमता माजोराना कणों की बुनाई (braiding) को सक्षम कर सकती है, जो दोष-सहिष्णु (fault-tolerant) क्वांटम गेट बनाने के लिए एक आवश्यक कदम है। हालाँकि यह अध्ययन स्वयं संक्रमण के भौतिक विज्ञान पर केंद्रित है, लेकिन यह क्वांटम सूचना को पढ़ने और लिखने के लिए उपकरणों को डिजाइन करने की नींव रखता है, जो इन फ्लक्स विन्यासों का हेरफेर करके किया जा सकता है। ये निष्कर्ष इन मायावी क्वांटम अवस्थाओं को व्यावहारिक उपयोग के लिए भुनाने के लिए एक स्पष्ट, प्रयोगात्मक मार्ग प्रदान करते हैं।
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