A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

आज के कंप्यूटरों की पहुंच से कहीं आगे जाकर समस्याओं को हल करने वाली मशीनें बनाने की खोज में, वैज्ञानिक सूचना की सबसे छोटी संभव इकाइयों की ओर मुड़ रहे हैं। दशकों से, ध्यान 'क्यूबिट' (qubit) पर केंद्रित रहा है, जो एक छोटा स्विच है जो एक साथ दो अवस्थाओं में रह सकता है, ठीक वैसे ही जैसे मेज पर घूमता हुआ सिक्का तब तक सिर और पूंछ दोनों होता है जब तक कि वह स्थिर न हो जाए। हालांकि, प्रकृति केवल दो विकल्पों से कहीं अधिक समृद्ध रंग प्रदान करती है। जिस तरह एक संगीत स्केल में दो से अधिक स्वर होते हैं, क्वांटम सिस्टम को एक साथ कई अवस्थाओं को धारण करने के लिए डिजाइन किया जा सकता है। ये बहु-अवस्था इकाइयाँ, जिन्हें 'क्वाडिट' (qudit) कहा जाता है, सूचना को संसाधित करने और दुनिया को अत्यधिक सटीकता के साथ महसूस करने के नए तरीके खोल सकती हैं। चुनौती ऐसे पदार्थों को खोजने में है जो इन जटिल अवस्थाओं को स्थिरता से थामे रख सकें और साथ ही वैज्ञानिकों को प्रकाश का उपयोग करके सूचना को पढ़ने और लिखने की अनुमति भी दें, जो कि एक तेज़ और सटीक विधि है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नया आणविक निर्माण खंड (molecular building block) बनाया है जो इस अवधारणा को वास्तविकता के करीब लाता है। उन्होंने एक एकल, स्थिर कार्बनिक अणु को डिजाइन किया है जो एक प्रकाश-उत्सर्जक क्वाडिट के रूप में कार्य करता है। यह अणु तीन समान 'ट्राइटिल' समूहों (radical groups)—जो एक अनपेयर्ड इलेक्ट्रॉन वाले रासायनिक संरचनाएं हैं—से बना है, जो एक केंद्रीय वलय (ring) के चारों ओर व्यवस्थित हैं। इन तीन हिस्सों को एक विशिष्ट तरीके से जोड़कर, वैज्ञानिकों ने अनपेयर्ड इलेक्ट्रॉनों को उनके स्पिन को सहयोगात्मक रूप से संरेखित करने के लिए मजबूर किया, जिससे सामान्य दो अवस्थाओं के बजाय चार अलग-अलग ऊर्जा स्तरों वाला एक 'ग्राउंड स्टेट' बन गया। यह संरचना केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह उत्तेजित होने पर प्रकाश के साथ चमकती है, और इसकी चमक का रंग और समय इलेक्ट्रॉनों की आंतरिक अवस्था को प्रकट करता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि वे लेजर का उपयोग करके अणु को एक विशिष्ट अवस्था में तैयार कर सकते हैं, माइक्रोवेव के माध्यम से इसे नियंत्रित कर सकते हैं, और इसके प्रकाश उत्सर्जन के माध्यम से परिणाम पढ़ सकते हैं, जिसमें ऑप्टिकल इनिशियलाइजेशन और रीडआउट कमरे के तापमान पर भी संभव है।

यह अणु, जिसे शोधकर्ता 'ट्रिरैडिकल' (triradical) कहते हैं, एक केंद्रीय फिनाइल रिंग से तीन ट्रिटील समूहों को जोड़कर बनाया गया है। ट्रिटील समूह अपनी स्थिरता और अद्वितीय चुंबकीय गुणों के लिए जाने जाते हैं, लेकिन तीन को एक एकल चमकते हुए इकाई में संयोजित करने के लिए सावधानीपूर्वक डिजाइन की आवश्यकता थी। टीम ने तीन हिस्सों को जोड़ने के लिए एक रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग किया, यह सुनिश्चित करते हुए कि उन्हें एक-दूसरे की स्थिरता को नष्ट किए बिना ठीक से दूरी पर रखा जाए। जब उन्होंने अणु का परीक्षण किया, तो पाया कि इसमें ऊर्जा के दो अलग सेट थे: एक 'डबलेट' (doublet) अवस्था जिसमें दो संभावित विन्यास हैं और एक 'क्वार्टेट' (quartet) अवस्था जिसमें चार हैं। महत्वपूर्ण रूप से, ग्राउंड स्टेट क्वार्टेट ऊर्जा में डबलेट से लगभग 1 meV नीचे स्थित है, जिसके परिणामस्वरूप कमरे के तापमान पर डबलेट और क्वार्टेट का लगभग समान जनसंख्या वितरण होता है। यह लगभग समान मिश्रण महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रणाली को एक साधारण दो-अवस्था प्रणाली की तुलना में सूचना की एक बड़ी श्रृंखला तक पहुँचने की अनुमति देता है।

जब शोधकर्ताओं ने अणु पर एक नीला लेजर डाला, तो इसने ऊर्जा को अवशोषित किया और चमकने लगा। उन्होंने नमूने से उभरते हुए दो अलग-अलग रंगों के प्रकाश को देखा: 633 नैनोमीटर पर एक चमक और 690 नैनोमीटर पर एक गहरा लाल रंग। प्रकाश के प्रत्येक रंग के टिकने की अवधि को मापकर, उन्होंने पाया कि 633 नैनोमीटर का प्रकाश क्वार्टेट अवस्था से आया और जल्दी खत्म हो गया, जबकि 690 नैनोमीटर का प्रकाश डबलेट अवस्था से आया और अधिक समय तक टिका रहा, जो विलंबित फोटोल्यूमिनेसेंस (delayed photoluminescence) पर हावी रहा। इस अलगाव ने उन्हें केवल प्रकाश के रंग और समय को देखकर दोनों प्रकार की अवस्थाओं के बीच अंतर करने में सक्षम बनाया। टीम ने यह भी पाया कि अणु को चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। जब उन्होंने केवल 5 मिलीटेस्ला का एक कमजोर चुंबकीय क्षेत्र लगाया, तो प्रकाश की चमक में 3 प्रतिशत तक परिवर्तन हुआ। यह संवेदनशीलता बताती है कि अणु अपने वातावरण में सूक्ष्म चुंबकीय उतार-चढ़ाव का पता लगाने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी सेंसर के रूप में कार्य कर सकता है।

यह सिद्ध करने के लिए कि अणु एक क्वांटम उपकरण के रूप में कार्य कर सकता है, वैज्ञानिकों ने इलेक्ट्रॉन स्पिन को नियंत्रित करने के लिए परीक्षणों की एक श्रृंखला आयोजित की। उन्होंने अणु को एक विशिष्ट स्पिन विन्यास में तैयार करने के लिए लेजर फ्लैश का उपयोग किया, जिसे 'ऑप्टिकल इनिशियलाइजेशन' कहा जाता है। फ्लैश के तुरंत बाद, उन्होंने अणु की अवस्था की जांच के लिए माइक्रोवेव पल्स का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि स्पिन को सुसंगत रूप से (coherently) नियंत्रित किया जा सकता था, जिसका अर्थ है कि शोधकर्ता क्वांटम अवस्था को सटीकता के साथ निर्देशित कर सकते थे। अणु ने इस सूचना को आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक बनाए रखा, जहाँ स्पिन-लैटिस रिलैक्सेशन समय 150 माइक्रोसेकंड से अधिक तक पहुँच गया, जो इस बात की ऊपरी सीमा निर्धारित करता है कि अवस्था कितने समय तक बनी रह सकती है। हालांकि सुसंगत नियंत्रण प्रयोग कम तापमान पर किए गए थे ताकि इन समयों को बढ़ाया जा सके, परिणाम संकेत देते हैं कि यह सामग्री सूचना संग्रहीत करने के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार है। इसके अलावा, उन्होंने प्रदर्शित किया कि वे क्वार्टेट अवस्था के विभिन्न हिस्सों को अलग-अलग संबोधित कर सकते हैं, जो एक साधारण ऑन-ऑफ स्विच के बजाय एक बहु-अवस्था प्रोसेसर के रूप में अणु का उपयोग करने के लिए आवश्यक क्षमता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि अणु विभिन्न स्थितियों, जैसे बदलते तापमान और चुंबकीय क्षेत्रों के तहत कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने पाया कि डबलेट और क्वार्टेट अवस्थाओं के बीच ऊर्जा का अंतर अविश्वसनीय रूप से छोटा, केवल 1 मिलीइलेक्ट्रॉनवोल्ट था। यह सूक्ष्म अंतर यह सुनिश्चित करता है कि कमरे के तापमान पर तापीय ऊर्जा अणु को इन अवस्थाओं के बीच घूमने के लिए पर्याप्त है, जो कि उन क्वांटम प्रणालियों के लिए असामान्य है जिन्हें स्थिर रहने के लिए अक्सर जमा देने वाले तापमान की आवश्यकता होती है। टीम ने पुष्टि की कि अणु का व्यवहार उनके सैद्धांतिक मॉडलों से मेल खाता था, जिससे यह संभावना खारिज हो गई कि अशुद्धियाँ या अपूर्ण रासायनिक प्रतिक्रियाएँ देखे गए प्रभावों का कारण थीं। उन्होंने यह भी दिखाया कि अणु का उपयोग 'ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस' (optically detected magnetic resonance) के लिए किया जा सकता है, जो एक ऐसी तकनीक है जहाँ माइक्रोवेव का उपयोग अणु की चुंबकीय अवस्था को बदलने के लिए किया जाता है, जिसे फिर इसके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश में परिवर्तन द्वारा पहचाना जाता है। यह विधि कमरे के तापमान पर प्रभावी ढंग से काम करती है, जो अन्य कई क्वांटम सामग्रियों की तुलना में एक महत्वपूर्ण लाभ है जिन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब रखने की आवश्यकता होती है।

यह कार्य कार्बनिक क्वांटम सामग्रियों के विकास में एक महत्वपूर्ण कदम है। एक ऐसा अणु बनाकर जो स्थिरता, प्रकाश उत्सर्जन और बहु-अवस्था नियंत्रण को जोड़ता है, शोधकर्ताओं ने क्वांटम सेंसिंग और कंप्यूटिंग के लिए एक नया उपकरण प्रदान किया है। प्रकाश का उपयोग करके सूचना को पढ़ने और लिखने की क्षमता, कमरे के तापमान पर अणु की मजबूती के साथ मिलकर, क्वांटम तकनीक को रोजमर्रा के उपकरणों में एकीकृत करने की संभावनाएं खोलती है। हालांकि यह अणु वर्तमान में एक प्रयोगशाला प्रोटोटाइप है, इसके डिजाइन सिद्धांत भविष्य के सुधारों के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि अणु की समरूपता (symmetry) को बदलकर, वे ऊर्जा स्तरों को और अधिक अलग कर सकते हैं, जिससे व्यक्तिगत अवस्थाओं को नियंत्रित करना और भी आसान हो जाएगा। यह अणु केवल एक नया रासायनिक यौगिक नहीं है; यह इस बात का प्रमाण है कि जटिल क्वांटम व्यवहार को सरल, कार्बनिक संरचनाओं में इंजीनियर किया जा सकता है, जो आणविक-स्तर के क्वांटम उपकरणों के सपने को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाता है।