Probing fluctuations in photon emission statistics of spin injected quantum dots with time dependent electronic excitation

प्रकाश को आमतौर पर नन्हे, स्वतंत्र कणों की एक धारा के रूप में माना जाता है। हालाँकि, क्वांटम दुनिया में, प्रकाश के ये कण, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, ऐसे तरीकों से व्यवहार कर सकते हैं जो हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे उपकरण बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो एक बार में ठीक एक ही फोटॉन उत्सर्जित करें, जो अगली पीढ़ी के अति-सुरक्षित संचार और शक्तिशाली कंप्यूटिंग के लिए एक आवश्यक क्षमता है। पारंपरिक रूप से, इन सिंगल-फोटॉन स्रोतों को बनाने के लिए एक चमकदार लेजर को एक छोटे क्रिस्टल पर चमकाना पड़ता था ताकि उत्सर्जन को प्रेरित किया जा सके। हालांकि यह प्रभावी है, लेकिन यह तरीका भारी बाहरी उपकरणों और ऑप्टिकल ट्रिगर्स पर निर्भर करता है, जिससे इसे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देने वाले छोटे, विद्युत रूप से संचालित चिप्स में एकीकृत करना कठिन हो जाता है। शोधकर्ता लेजर को एक साधारण विद्युत प्रवाह (करंट) से बदलने के लिए काम कर रहे हैं, इस उम्मीद में कि वे एक ऐसा प्रकाश स्रोत बना सकें जिसे एक तार के माध्यम से चालू और बंद किया जा सके, ठीक वैसे ही जैसे एक मानक बल्ब होता है।

चुनौती इस तथ्य में निहित है कि विद्युत धाराएं अव्यवस्थित होती हैं। एक सटीक लेजर पल्स के विपरीत, एक विद्युत संकेत में इलेक्ट्रॉनों का एक अराजक प्रवाह शामिल होता है जिसे नियंत्रित करना कठिन हो सकता है। जब ये इलेक्ट्रॉन एक सूक्ष्म अर्धचालक संरचना (सेमीकंडक्टर स्ट्रक्चर) से टकराते हैं जिसे क्वांटम डॉट कहा जाता है, तो वे प्रकाश उत्पन्न कर सकते हैं, लेकिन फोटॉन के उत्सर्जन का समय और संख्या बहुत अधिक उतार-चढ़ाव वाली हो सकती है। यूनिवर्सिटी एट बफ़ेलो के शोधकर्ताओं और उनके अंतरराष्ट्रीय सहयोगियों द्वारा किए गए एक नए अध्ययन में इसी बात की खोज की गई है कि ये विद्युत उतार-चढ़ाव प्रकाश को कैसे प्रभावित करते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के क्वांटम डॉट पर ध्यान केंद्रित किया जिसमें ऐसे इलेक्ट्रॉन इंजेक्ट किए जा सकते हैं जिनका स्पिन (spin) समान होता है, एक ऐसा गुण जो इलेक्ट्रॉन को एक विशिष्ट चुंबकीय अभिविन्यास (ओरिएंटेशन) देता है। इस स्पिन को नियंत्रित करके, टीम ने न केवल प्रकाश के रंग के घुमाव (कलर ट्विस्ट) को निर्धारित किया, बल्कि फोटॉनों के जारी होने के तरीके में एक आश्चर्यजनक, छिपी हुई लय की भी खोज की।

इस शोध के केंद्र में मौजूद उपकरण सामग्रियों का एक सूक्ष्म 'सैंडविच' है। इसके मूल में क्वांटम डॉट्स की एक परत है, जो इंडियम गैलियम आर्सेनाइड के नैनोस्केल क्रिस्टल हैं, जो एक अर्धचालक संरचना के भीतर स्थित हैं। इसके ऊपर कोबाल्ट, आयरन और बोरॉन से बनी एक विशेष चुंबकीय परत है, जो मैग्नीशियम ऑक्साइड की एक पतली बाधा (बैरियर) द्वारा डॉट्स से अलग है। जब शोधकर्ता इस उपकरण पर एक वोल्टेज पल्स लागू करते हैं, तो इलेक्ट्रॉनों को बाधा के माध्यम से टनल होकर क्वांटम डॉट्स में जाने के लिए मजबूर किया जाता है। चुंबकीय परत के कारण, ये इलेक्ट्रॉन एक विशिष्ट दिशा में स्पिन संरेखित (अलाइन्ड) होकर आते हैं। जैसे ही इलेक्ट्रॉन डॉट्स में स्थिर होते हैं और होल्स (holes) के साथ पुनर्संयोजन (recombine) करते हैं, वे फोटॉन उत्सर्जित करते हैं। इलेक्ट्रॉन स्पिन का संरेखण यह सुनिश्चित करता है कि उत्सर्जित प्रकाश गोलाकार ध्रुवीकृत (circularly polarized) हो, जिसका अर्थ है कि प्रकाश तरंगें यात्रा करते समय कॉर्कस्क्रू की तरह सर्पिल चलती हैं।

इस नन्ही मशीन के अंदर क्या हो रहा था, यह देखने के लिए टीम ने केवल प्रकाश की कुल मात्रा को नहीं मापा। इसके बजाय, उन्होंने एक परिष्कृत पहचान प्रणाली (डिटेक्शन सिस्टम) बनाई जो ठीक से गिन सकती थी कि एक ही समय में कितने फोटॉन पहुंचे। उन्होंने चार संवेदनशील डिटेक्टरों वाले सेटअप का उपयोग किया जो उन फोटॉनों को पकड़ने के लिए व्यवस्थित थे जो जोड़े में या यहाँ तक कि तीन के समूह में भी आ सकते हैं। हर एक फोटॉन के आगमन के समय को अत्यधिक सटीकता के साथ टैग करके, वे दूसरे-से-दूसरे के हिसाब से प्रकाश उत्सर्जन की कहानी को पुनर्गठित कर सकते थे। उन्होंने प्रयोग को चुंबकीय परत को पूरी तरह से चुंबकित (मैग्नेटाइज्ड) अवस्था में चलाया, जिससे स्पिन-अलाइन्ड इलेक्ट्रॉनों की एक धारा बनी, और फिर चुंबकत्व को अस्त-व्यस्त करने के बाद इसे दोहराया, जिससे इलेक्ट्रॉन यादृच्छिक स्पिन के साथ आए।

परिणामों ने दोनों स्थितियों के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाया। जब इलेक्ट्रॉन स्पिन-अलाइन्ड थे, तो सिंगल फोटॉन का उत्सर्जन विद्युत पल्स के साथ सुचारू रूप से हुआ, जैसा कि अपेक्षित था। हालांकि, एक साथ दो फोटॉनों के उत्सर्जन ने एक अलग कहानी बताई। शोधकर्ताओं ने दो-फोटॉन घटनाओं के समय में स्पष्ट उतार-चढ़ाव देखे। ये उतार-चढ़ाव विद्युत पल्स के भीतर विशिष्ट क्षणों पर दिखाई दिए, जिससे एक टेढ़ा-मेढ़ा, अनियमित पैटर्न बना जो सिंगल फोटॉनों के सुचारू वक्र (कर्व) से मेल नहीं खाता था। महत्वपूर्ण रूप से, जब चुंबकीय परत को डीमैग्नेटाइज किया गया और स्पिन संरेखण को हटा दिया गया, तो ये उतार-चढ़ाव गायब हो गए। दो-फोटॉन उत्सर्जन सुचारू और अनुमानित हो गया, जो सिंगल फोटॉनों के व्यवहार की नकल करता था। इस प्रत्यक्ष संबंध ने सिद्ध किया कि अराजक उतार-चढ़ाव स्वयं विद्युत शोर (नॉइज़) के कारण नहीं थे, बल्कि इलेक्ट्रॉनों के साझा स्पिन ओरिएंटेशन का सीधा परिणाम थे।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों होता है, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने क्वांटम डॉट्स को एक एकल इकाई के रूप में नहीं, बल्कि समूह के रूप में मॉडल किया जो एक-दूसरे को प्रभावित कर सकते हैं। उनके मॉडल ने सुझाव दिया कि जब इलेक्ट्रॉन स्पिन-अलाइन्ड होते हैं, तो क्वांटम डॉट्स एक समन्वित तरीके से कार्य करने लगते हैं, जिसे सहयोगात्मक उत्सर्जन (cooperative emission) नामक घटना कहा जाता है। इस अवस्था में, डॉट्स केवल स्वतंत्र रूप से प्रकाश उत्सर्जित नहीं कर रहे हैं; वे किसी तरह आपस में जुड़े हुए हैं, जिससे वे मानक विद्युत शोर के यादृच्छिक समय की चुनौती को दरकिनार करते हुए, एक साथ फोटॉनों के जोड़े जारी करते हैं। सिमुलेशन, जिसमें सहयोगात्मक व्यवहार का गणितीय विवरण शामिल था, ने प्रयोग में देखे गए टेढ़े-मेढ़े उतार-चढ़ाव को सफलतापूर्वक पुनरुत्पादित किया। मॉडल में इस सहयोगात्मक लिंक के बिना, सिमुलेशन ने सुचारू वक्र बनाए, जो डीमैग्नेटाइज्ड प्रयोग की तरह ही थे।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि स्पिन इंजेक्शन न केवल प्रकाश के ध्रुवीकरण को नियंत्रित करता है, बल्कि यह उत्सर्जन की सांख्यिकीय प्रकृति को भी मौलिक रूप से बदल देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि स्पिन संरेखण की उपस्थिति एक नए डायनामिक को पेश करती है जहाँ सिस्टम प्रकाश की उच्च-क्रम अवस्थाओं (higher-order states), जैसे कि फोटॉनों के जोड़े, को एक विशिष्ट और उतार-चढ़ाव वाले समय हस्ताक्षर के साथ उत्सर्जित कर सकता है। यह व्यवहार क्वांटम डॉट्स के एक समूह (एन्सेम्बल) में देखा गया, जहाँ औसत स्पिन पोलराइजेशन लगभग इक्कीस प्रतिशत था, और डॉट्स का घनत्व प्रकाश की एक वर्ग तरंग दैर्ध्य (wavelength) प्रति वर्ग लगभग ग्यारह था। टीम ने इन डायनामिक्स की जांच करने के लिए बीस नैनोसेकंड की पल्स विड्थ का उपयोग किया, जिसमें उदय और पतन (rise and fall) के समय को समायोजित किया जा सकता था। उन्होंने डेटा को सांख्यिकीय रूप से मजबूत बनाने के लिए करोड़ों सिंगल-फोटॉन घटनाओं और हजारों दो-फोटॉन घटनाओं को एकत्र किया।

यह कार्य सुझाव देता है कि विद्युत रूप से संचालित क्वांटम प्रकाश स्रोतों के आंतरिक डायनामिक्स पहले की तुलना में अधिक जटिल हैं। देखे गए उतार-चढ़ाव केवल शोर नहीं हैं जिसे समाप्त किया जाना चाहिए, बल्कि वे उत्सर्जकों के बीच एक गहरे अंतर्संबंध का संकेत हैं, जो इंजेक्ट किए गए वाहकों (कैरियर्स) के स्पिन द्वारा संचालित होते हैं। हालांकि, वह सूक्ष्म तंत्र (माइक्रोस्कोपिक मैकेनिज्म) जो डॉट्स को संवाद करने और एक साथ एकत्रित होने की अनुमति देता है, भविष्य के अनुसंधान का विषय बना हुआ है, लेकिन प्रमाण एक सहयोगात्मक प्रक्रिया की ओर इशारा करते हैं जो स्पिन द्वारा सक्षम है। ये निष्कर्ष क्वांटम प्रकाश स्रोतों को डिजाइन करने के लिए एक नया मार्ग खोलते हैं, जो न केवल सिंगल फोटॉन, बल्कि विश्वसनीय मल्टी-फोटॉन अवस्थाओं की धाराओं को उत्पन्न करने की क्षमता रखते हैं। इन स्पिन-नियंत्रित उतार-चढ़ाव को समझकर और उनका लाभ उठाकर, वैज्ञानिक भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में एकीकृत, छोटे और तेज़ क्वांटम उपकरण बना सकते हैं।