The Impact of Internal Electric Fields on Accurate Diamond Magnetometry
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि आवेशित डोपेंट्स (charged dopants) से उत्पन्न यादृच्छिक आंतरिक विद्युत क्षेत्र नाइट्रोजन-वैकेंसी सेंटर मैग्नेटोमेट्री में महत्वपूर्ण व्यवस्थित त्रुटियां उत्पन्न करते हैं, लेकिन एक नया विश्लेषणात्मक फिटिंग फंक्शन और मोंटे कार्लो मॉडल प्रस्तावित करता है जो माप की सटीकता में सुधार करने के लिए इन त्रुटियों को लगभग एक क्रम के परिमाण (order of magnitude) तक कम कर देता है।
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दुनिया को आकार देने वाली अदृश्य शक्तियों को मापने की खोज में, वैज्ञानिक लंबे समय से हीरे की ओर मुड़ते रहे हैं। इसकी चमक के लिए नहीं, बल्कि इसके क्रिस्टल लैटिस (जाली) के भीतर छिपी एक सूक्ष्म खामी के लिए: एक नाइट्रोजन-वैकेंसी (नाइट्रोजन-रिक्तता) केंद्र। एक हीरे की कल्पना करें जहाँ एक कार्बन परमाणु गायब है, और उसकी जगह एक नाइट्रोजन परमाणु एक खाली स्थान के ठीक बगल में बैठा है। यह दोष एक सूक्ष्म दिशा-सूचक सुई (कंपास नीडल) की तरह कार्य करता है, एक एकल परमाणु जिसे प्रकाश और माइक्रोवेव के साथ हेरफेर करके अविश्वसनीय संवेदनशीलता के साथ चुंबकीय क्षेत्रों को महसूस किया जा सकता है। क्योंकि ये परमाणु सुइयां एक ठोस क्रिस्टल में अंतर्निहित हैं, वे कमरे के तापमान पर काम कर सकती हैं, उन कई अन्य अति-सटीक सेंसरों के विपरीत जिन्हें अत्यधिक ठंड की आवश्यकता होती है। वर्षों से, शोधकर्ताओं ने इन हीरे के सेंसरों का उपयोग चुंबकीय क्षेत्रों का मानचित्र बनाने के लिए किया है, इस उम्मीद में कि वे सटीकता के उस स्तर तक पहुँच सकें जो नेविगेशन या भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण के लिए उपयोग किए जाने वाले सर्वोत्तम वाणिज्यिक उपकरणों के बराबर हो। यह एक ऐसे उपकरण का वादा है जो मानव मस्तिष्क की चुंबकीय फुसफुसाहट या पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र में सूक्ष्म बदलावों को देख सकता है, और वह भी एक छोटे, मजबूत उपकरण के माध्यम से।
हालाँकि, एक नया अध्ययन बताता है कि पूर्ण सटीकता का मार्ग हीरे के भीतर ही छिपी एक अदृश्य, अराजक शक्ति द्वारा बाधित है। जबकि हीरे को उसकी शुद्धता के लिए सराहा जाता है, यह कभी भी अन्य परमाणुओं से पूरी तरह खाली नहीं होता है। नाइट्रोजन और अन्य अशुद्धियों की सूक्ष्म मात्रा पूरे क्रिस्टल में बिखरी हुई होती है। जब हीरे को एक सेंसर के रूप में कार्य करने के लिए तैयार किया जाता है, तो इनमें से कुछ अशुद्धियाँ इलेक्ट्रॉन खो देती हैं या प्राप्त कर लेती हैं, जिससे वे विद्युत रूप से आवेशित हो जाती हैं। ये आवेशित परमाणु यादृच्छिक, आंतरिक विद्युत क्षेत्रों का एक समूह बनाते हैं जो हीरे के माध्यम से लहरों की तरह चलते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये अदृच्छिक विद्युत ज्वार उन परमाणु दिशा-सूचक सुइयों को धकेलते और खींचते हैं, जिससे उन संकेतों को विकृत कर दिया जाता है जिन पर वैज्ञानिक चुंबकीय क्षेत्रों को मापने के लिए भरोसा करते हैं। यह प्रभाव सूक्ष्म है लेकिन महत्वपूर्ण है: यह सेंसर की प्रतिक्रिया की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) को इस तरह से बदल देता है जिसे मानक विश्लेषण उपकरण चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन समझ लेते हैं, जिससे व्यवस्थित त्रुटियां होती हैं जो माप को कई माइक्रो टेस्ला तक गलत कर सकती हैं।
यह समझने के लिए कि यह वास्तव में कैसे होता है, टीम ने हीरे के आंतरिक भाग का एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। उन्होंने एक आभासी हीरा लैटिस को आवेशित परमाणुओं के यादृच्छिक वितरण के साथ भरा, जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध नमूनों में पाए जाने वाले वास्तविक दुनिया के दोषों की नकल करता है। इन आवेशों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्रों की गणना करके, वे भविष्यवाणी कर सके कि परमाणु दिशा-सूचक सुइयां कैसे व्यवहार करेंगी। सिमुलेशन ने एक विशिष्ट, पहेलीनुमा विशेषता को पुनरुत्पादित किया जो वास्तविक प्रयोगों में देखी गई थी: सिग्नल का प्रतिनिधित्व करने वाली रेखाएं पूरी तरह से सममित (सिमेट्रिकल) नहीं हैं। इसके बजाय, वे एक तरफ झुकी हुई हैं, जिसमें एक तरफ एक लंबी, भारी पूंछ है। यह विषमता (असममिति) यादृच्छिक आंतरिक विद्युत क्षेत्रों का फिंगरप्रिंट है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जब ये क्षेत्र मौजूद होते हैं, तो सिग्नल का शिखर (पीक)—वह बिंदु जिसे वैज्ञानिक आमतौर पर चुंबकीय क्षेत्र की ताकत निर्धारित करने के लिए देखते हैं—अपने वास्तविक स्थान से हट जाता है। विद्युत अराजकता जितनी अधिक होगी, सिग्नल उतना ही अधिक पथभ्रष्ट होगा।
इसके बाद अध्ययन ने इस बात का परीक्षण किया कि वर्तमान विधियाँ इस समस्या को कितनी अच्छी तरह संभालती हैं। मानक विश्लेषण तकनीकें मानती हैं कि सिग्नल एक चिकना, सममित वक्र है, जैसे कि एक घंटी का आकार। जब शोधकर्ता इन विषम सिग्नलों को लागू करते हैं जो आंतरिक विद्युत क्षेत्रों के कारण होते हैं, तो वे गलत चुंबकीय क्षेत्र मान निकालते हैं। लगभग पांच मिलीटेस्ला से नीचे के क्षेत्रों में, यह त्रुटि उन मूलभूत भौतिक स्थिरांकों की अनिश्चितता से बड़ी हो जाती है जिनका उपयोग गणना के लिए किया जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह त्रुटि चुंबकीय क्षेत्र के मजबूत होने पर तेजी से समाप्त नहीं होती है; इसके बजाय, यह उम्मीद से बहुत धीरे-धीरे कम होती है। इसका मतलब है कि मध्यम चुंबकीय क्षेत्रों में भी, आंतरिक विद्युत अराजकता ऐसी त्रुटियां पैदा कर सकती है जो सेंसर की सैद्धांतिक सटीकता की सीमाओं से अधिक हों।
इसे हल करने के लिए, टीम ने डेटा का विश्लेषण करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया। सिग्नल को एक सममित आकार में जबरदस्ती फिट करने के बजाय, उन्होंने एक गणितीय मॉडल विकसित किया जो उन विशिष्ट तरीकों को ध्यान में रखता है जिनसे ये यादृच्छिक विद्युत क्षेत्र सिग्नल को विकृत करते हैं। यह नया मॉडल सिग्नल के साथ वैसा ही व्यवहार करता है जैसा वह वास्तव में है: एक विषम वक्र जो अंतर्निहित अराजकता द्वारा आकार लिया गया है। जब उन्होंने अपने सिम्युलेटेड डेटा पर इस नए फिटिंग फंक्शन को लागू किया, तो चुंबकीय क्षेत्र के माप में त्रुटि लगभग दस गुना कम हो गई। नए तरीके ने विद्युत शोर की उपस्थिति में भी वास्तविक चुंबकीय क्षेत्र की सफलतापूर्वक पहचान की, जिससे सटीकता उस स्तर तक आ गई जो ज्ञात भौतिक स्थिरांकों की अनिश्चितता के तुल्य है।
निष्कर्ष बताते हैं कि डायमंड मैग्नेटोमेट्री को एक उच्च-सटीक उपकरण के रूप में अपनी पूर्ण क्षमता तक पहुँचने के लिए, वैज्ञानिकों को आंतरिक विद्युत वातावरण को अनदेखा करना बंद करना होगा। अध्ययन दर्शाता है कि ये यादृच्छिक क्षेत्र केवल एक मामूली परेशानी नहीं हैं, बल्कि त्रुटि का एक प्रमुख स्रोत हैं जिनका हिसाब रखा जाना चाहिए। हालांकि कम अशुद्धियों वाले स्वच्छ हीरे का उपयोग करने से समस्या कम हो सकती है, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वर्तमान, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सामग्रियों के साथ भी, सिग्नल के आकार की बेहतर समझ सटीकता में नाटकीय रूप से सुधार कर सकती है। हीरे के आंतरिक भाग की अव्यवस्थित वास्तविकता को स्वीकार करके और ऐसे मॉडल बनाकर जो इसे प्रतिबिंबित करते हैं, वह मार्ग खुलता है जो ऐसे सेंसरों की ओर जाता है जो न केवल संवेदनशील हैं बल्कि वास्तव में सटीक भी हैं, जो दुनिया के चुंबकीय क्षेत्रों को उस विश्वसनीयता के साथ मापने में सक्षम हैं जो पहले पहुंच से बाहर थी।
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