Coherent Optical Control of a Single Donor Electron Spin
यह शोध पत्र ZnSe में एक एकल डोनर-बाउंड इलेक्ट्रॉन स्पिन के पहले सुसंगत ऑप्टिकल इनिशियलाइज़ेशन, नियंत्रण और रीडआउट को प्रदर्शित करता है, जिसमें रबी ऑसिलेशन, रामसे इंटरफेरेंस और कोहेरेंट पॉपुलेशन ट्रैपिंग प्राप्त करने के लिए स्पिन-सेलेक्टिव एक्सिटॉन ट्रांज़िशन का उपयोग किया गया है, साथ ही क्लोरीन नाभिक के साथ हाइपरफाइन इंटरैक्शन को भी प्रकट किया गया है।
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क्वांटम इंटरनेट बनाने की खोज में, वैज्ञानिक प्रकाश और पदार्थ में सूचना को संग्रहीत करने का तरीका खोज रहे हैं। कल्पना कीजिए कि एक ऐसा नेटवर्क जहाँ डेटा फोटॉन (प्रकाश के कणों) के रूप में यात्रा करता है, लेकिन इसे संसाधित या याद रखने के लिए विशिष्ट नोड्स पर रुकना पड़ता है। यह काम करने के लिए, इन नोड्स को एक ऐसी स्मृति (मेमोरी) की आवश्यकता है जो क्वांटम अवस्था को उपयोगी होने तक लंबे समय तक बनाए रख सके, फिर भी जानकारी भेजने और प्राप्त करने के लिए प्रकाश के साथ पर्याप्त तेज़ी से अंतःक्रिया कर सके। इस मेमोरी के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार एकल इलेक्ट्रॉन का स्पिन है। स्पिन एक इलेक्ट्रॉन का आंतरिक गुण है, जो एक छोटे, अदृश्य चुंबक की तरह व्यवहार करता है जो विभिन्न दिशाओं में हो सकता है। यदि वैज्ञानिक प्रकाश के माध्यम से इस दिशा को नियंत्रित कर सकते हैं, तो वे स्थिर क्वांटम मेमोरी और उड़ती हुई क्वांटम सूचना के बीच एक सेतु बना सकते हैं। हालाँकि, एक ठोस सामग्री में इस नियंत्रण को प्राप्त करना कठिन है। वातावरण अक्सर बहुत शोर वाला होता है, जिससे नाजुक क्वांटम अवस्था उपयोग में आने से पहले ही ढह जाती है। शोधकर्ताओं ने लंबे समय से एक ऐसी सामग्री की तलाश की है जो स्पष्ट ऑप्टिकल सिग्नल प्रदान करे और इलेक्ट्रॉन के स्पिन को आसपास के परमाणुओं की अराजकता से सुरक्षित रखे।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने जिंक सेलेनाइड के क्रिस्टल के भीतर फंसे एक एकल इलेक्ट्रॉन स्पिन को नियंत्रित करके एक महत्वपूर्ण प्रगति प्रदर्शित की है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार की अशुद्धि पर ध्यान केंद्रित किया, जो सामग्री के भीतर स्थित एक क्लोरीन परमाणु है, जो एक एकल इलेक्ट्रॉन के लिए ट्रैप (जाल) के रूप में कार्य करता है। यह सेटअप एक ऐसी प्रणाली बनाता है जहाँ इलेक्ट्रॉन क्लोरीन परमाणु से बंधा होता है, जिससे एक स्थिर संरचना बनती है जिसे लेजर के साथ नियंत्रित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक दिखाया कि वे प्रकाश का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन के स्पिन को तैयार कर सकते हैं, अत्यधिक गति से इसकी दिशा को नियंत्रित कर सकते हैं, और इसकी अंतिम अवस्था को पढ़ सकते हैं। यह उपलब्धि उल्लेखनीय है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉन को स्पष्ट रूप से देखने की क्षमता और इसे सुसंगत रूप से (coherently) नियंत्रित करने की क्षमता को जोड़ती है, जिसका अर्थ है कि वे उस नाजुक क्वांटम सूचना को खोए बिना स्पिन को निर्देशित कर सकते हैं जो वह वहन करता है।
यह यात्रा एक छोटे उपकरण के निर्माण के साथ शुरू हुई। वैज्ञानिकों ने जिंक मैग्नीशियम सेलेनाइड नामक एक समान सामग्री की परतों के बीच जिंक सेलेनाइड की एक पतली परत उगाई। इस पतली परत के भीतर, उन्होंने क्लोरीन परमाणुओं को इतनी कम घनत्व पर पेश किया कि सांख्यिकीय रूप से, केवल एक या दो ही उस सामग्री से बनाई गई एक छोटी स्तंभ (पिलर) में दिखाई देंगे। यह स्तंभ, जिसे एक खंभे के आकार में बनाया गया था और जिसके ऊपर एक लेंस लगा था, को उस मंद प्रकाश को एकत्र करने के लिए डिज़ाइन किया गया था जो एकल क्लोरीन साइट पर फंसे एकल इलेक्ट्रॉन से उत्सर्जित होता है। जब उन्होंने नमूने पर लेजर चमकाया, तो उन्होंने एक एकल क्लोरीन परमाणु से आने वाले प्रकाश के एक विशिष्ट रंग को देखा, जिससे पुष्टि हुई कि वे एक अलग प्रणाली को देख रहे हैं। एक चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, उन्होंने इलेक्ट्रॉन के स्पिन के ऊर्जा स्तरों को विभाजित किया, जिससे दो अलग-अलग अवस्थाएँ बनीं जिन्हें प्रकाश के माध्यम से अलग से संबोधित किया जा सके।
स्पिन को नियंत्रित करने की क्षमता सिद्ध करने के लिए, टीम को पहले इसे एक ज्ञात प्रारंभिक स्थिति पर सेट करना था। उन्होंने 'ऑप्टिकल पंपिंग' नामक एक प्रक्रिया का उपयोग किया, जहाँ उन्होंने एक विशिष्ट आवृत्ति पर ट्यून किया गया लेजर चलाया जो इलेक्ट्रॉन को केवल तभी उत्तेजित करेगा जब वह एक विशेष स्पिन अवस्था में होगा। जैसे ही इलेक्ट्रॉन प्रकाश को अवशोषित करता है और फिर उसे पुन: उत्सर्जित करता है, उसके पास दो में से किसी एक स्पिन अवस्था में वापस गिरने का अवसर होता है। इस चक्र को दोहराकर, उन्होंने प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनों को फ़िल्टर किया, जिससे केवल वांछित अवस्था में इलेक्ट्रॉन बचे। एक बार स्पिन तैयार हो जाने के बाद, उन्होंने मापा कि वह कितनी देर तक वहाँ रहता है। उन्होंने पाया कि स्पिन लगभग 18.5 माइक्रोसेकंड तक अपनी अवस्था में रह सकता है इससे पहले कि कुछ उसे बदलने के लिए मजबूर करे। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने निर्धारित किया कि यह परिवर्तन इलेक्ट्रॉन के अपने आप स्पिन बदलने के कारण नहीं था, जो कि एक मौलिक सीमा होती, बल्कि इसलिए था क्योंकि इलेक्ट्रॉन कभी-कभी क्लोरीन ट्रैप से पूरी तरह बाहर निकल जाता था। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देता है कि यदि वे इलेक्ट्रॉन को बाहर निकलने से रोक सकें, शायद सामग्री में विद्युत क्षेत्रों को समायोजित करके, तो स्पिन बहुत लंबे समय तक, संभावित रूप से मिलीसेकंड तक, रह सकता है।
स्पिन को आरंभ (initialize) करने के बाद, शोधकर्ता सबसे चुनौतीपूर्ण भाग की ओर बढ़े: इसे प्रकाश के साथ निर्देशित करना। तैयारी के लिए उपयोग किए जाने वाले धीमे, स्थिर लेजर के बजाय, उन्होंने प्रकाश के अत्यंत छोटे पल्स (धड़कन) दागे, जो एक सेकंड के कुछ ट्रिलियनवें हिस्से तक चलते हैं। ये पल्स एक ऐसी आवृत्ति पर ट्यून किए गए थे जो इलेक्ट्रॉन के प्राकृतिक अनुनाद (resonance) से थोड़ी भिन्न थी, एक ऐसी तकनीक जो प्रकाश को इलेक्ट्रॉन को उच्च ऊर्जा स्तर तक उत्तेजित किए बिना स्पिन को प्रभावित करने की अनुमति देती है। इन पल्स की शक्ति को समायोजित करके, वे स्पिन को घुमा सकते थे। उन्होंने इसे 'राबी ऑसिलेशन' (Rabi oscillations) नामक एक दोलन पैटर्न बनाकर प्रदर्शित किया, जहाँ स्पिन दो अवस्थाओं के बीच एक अनुमानित लय में आगे-पीछे होता है। इसने सिद्ध किया कि वे स्पिन को एक डायल की तरह सटीकता से नियंत्रित कर सकते हैं, जिससे उसे किसी भी कोण पर घुमाया जा सके।
यह पुष्टि करने के लिए कि यह नियंत्रण वास्तव में क्वांटम और सुसंगत (coherent) था, उन्होंने 'रेमसे इंटरफेरेंस' (Ramsey interference) नामक एक अधिक जटिल परीक्षण किया। इस प्रयोग में, उन्होंने एक संक्षिप्त अंतराल के बाद दो छोटे लेजर पल्स लगाए। इस अंतराल के दौरान, स्पिन को चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव में, एक जायरोस्कोप की तरह स्वतंत्र रूप से घूमने के लिए छोड़ दिया गया। जब दूसरा पल्स आया, तो उसने खुलासा किया कि उस अंतराल के दौरान स्पिन ने कितना घूम लिया था। परिणामों ने एक स्पष्ट तरंग-जैसी (wave-like) पैटर्न दिखाया, जिससे सिद्ध हुआ कि स्पिन ने पूरी प्रक्रिया के दौरान अपनी क्वांटम स्मृति बनाए रखी। उन्होंने इस स्मृति की अवधि को मापा, और पाया कि इसकी सुसंगतता समय (coherence time) लगभग 22 नैनोसेकंड था। हालांकि यह अविश्वसनीय रूप से तेज़ लगता है, लेकिन एक ठोस सामग्री में इलेक्ट्रॉन के लिए यह एक महत्वपूर्ण अवधि है, और यह इलेक्ट्रॉन तथा आसपास के परमाणु नाभिकों के बीच की अंतःक्रिया के आधार पर सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाता है।
अंत में, टीम ने इलेक्ट्रॉन और स्वयं क्लोरीन परमाणु के नाभिक के बीच की अंतःक्रिया को देखकर इस प्रणाली की गहरी संरचना का पता लगाया। क्लोरीन नाभिक का अपना स्पिन होता है, जो एक छोटे चुंबक की तरह व्यवहार करता है जो इलेक्ट्रॉन को प्रभावित करता है। अपने लेजर पल्स की शक्ति बढ़ाकर, वे इस अंतःक्रिया के सूक्ष्म प्रभावों को समझने में सक्षम हुए। एक एकल सिग्नल देखने के बजाय, उन्होंने चार अलग-अलग विशेषताएं देखीं, जो क्लोरीन नाभिक के विभिन्न संभावित ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) के अनुरूप थीं। इस अवलोकन ने खुलासा किया कि नाभिक का उपयोग भी स्मृति के रूप में किया जा सकता है, जो संभावित रूप से भंडारण समय को और भी बढ़ा सकता है। इन 'हाइपरफाइन इंटरैक्शन' को देखने और नियंत्रित करने की क्षमता यह बताती है कि यह एकल परमाणु एक बहु-स्तरीय क्वांटम मेमोरी के रूप में कार्य कर सकता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन एक तेज़ प्रोसेसर के रूप में और नाभिक एक दीर्घकालिक स्टोरेज ड्राइव के रूप में कार्य करता है।
यह कार्य क्वांटम प्रौद्योगिकी के लिए एक नया मंच स्थापित करता है, यह दिखाते हुए कि जिंक सेलेनाइड में अलग-थलग पड़े डोनर परमाणु मजबूत, ऑप्टिकली सक्रिय क्यूबिट्स के रूप में कार्य कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया है कि वे उच्च निष्ठा (fidelity) के साथ एक एकल इलेक्ट्रॉन स्पिन को आरंभ, हेरफेर और पढ़ सकते हैं, और यह सब क्वांटम नेटवर्क के लिए आवश्यक सुसंगतता बनाए रखते हुए कर सकते हैं। हालाँकि चुनौतियाँ बनी हुई हैं, जैसे इलेक्ट्रॉन को ट्रैप से बाहर निकलने से रोकना और सामग्री के शुद्धिकरण के माध्यम से सुसंगतता समय को बढ़ाना, लेकिन आगे का रास्ता अब स्पष्ट है। कुशल ऑप्टिकल एक्सेस के साथ दीर्घकालिक स्पिन मेमोरी को जोड़कर, ये एकल डोनर क्वांटम सूचना प्रणालियों के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं, जो एक क्रिस्टल में मौजूद एकल परमाणु को भविष्य के क्वांटम इंटरनेट के लिए एक कार्यात्मक नोड में बदल देते हैं।
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