Room-Temperature Quantum Emission from Boron Nitride Nanotubes
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि बोरोन नाइट्राइड नैनोट्यूब (BNNTs), सतह निष्क्रियता (surface passivation) के माध्यम से बहु-तरंगदैर्ध्य क्षमताओं, अतिशीघ्र जीवनकाल और उन्नत स्थिरता के साथ मजबूत, कमरे के तापमान वाले सिंगल-फोटॉन उत्सर्जक के रूप में कार्य करते हैं, जो उन्हें नैनोफोटोनिक क्वांटम उपकरणों में एकीकरण के लिए आदर्श कॉम्पैक्ट घटक बनाते हैं।
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क्वांटम तकनीक के उभरते क्षेत्र में, सूचना बिजली की धाराओं द्वारा नहीं, बल्कि प्रकाश के व्यक्तिगत कणों द्वारा ले जाई जाती है जिन्हें फोटॉन कहा जाता है। अगली पीढ़ी के कंप्यूटर, सुरक्षित संचार नेटवर्क और अति-संवेदनशील सेंसर बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इन कणों को एक-एक करके उत्पन्न करने का एक विश्वसनीय तरीका चाहिए। इस कार्य के लिए आदर्श स्रोत एक सिंगल-फोटॉन एमिटर (एकल-फोटॉन उत्सर्जक) है: एक ठोस पदार्थ में एक सूक्ष्म दोष, जो प्रकाश द्वारा उत्तेजित होने पर, ठीक एक बार में केवल एक फोटॉन छोड़ता है। वर्षों से, शोधकर्ता हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड को इन उत्सचारियों के लिए एक आशाजनक आधार के रूप में देख रहे हैं, जो कि एक सपाट, द्वि-आयामी सामग्री है। हालांकि यह सामग्री अच्छी तरह से काम करती है, लेकिन इसकी सपाट प्रकृति इंजीनियरिंग संबंधी सिरदर्द पैदा करती है; एक सपाट शीट को सूक्ष्म सर्किट पर सटीक रूप से रखना कठिन है, और इसके भीतर पाए जाने वाले उत्सारक अक्सर उन रंगों में अंतराल रखते हैं जो वे उत्पन्न करते हैं। इसके अलावा, ये सपाट उत्सारक अस्थिर हो सकते हैं, जो अप्रत्याशित रूप से चालू और बंद होते रहते हैं, जिससे सूचना का प्रवाह बाधित होता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इसी सामग्री के एक अलग आकार की ओर अपना ध्यान केंद्रित किया है: बोरान नाइट्राइड नैनोट्यूब। कल्पना कीजिए कि इस सामग्री की एक शीट को एक छोटे, खोखले सिलेंडर में लपेटा गया है, जिससे एक एक-आयामी संरचना बनती है जो कठोर और अविश्वसनीय रूप से पतली है। एक हालिया अध्ययन में, टीम ने जांच की कि क्या ये नैनोट्यूब इन एकल-फोटॉन उत्सरकों के लिए बेहतर घर के रूप में काम कर सकते हैं। इन ट्यूबों की एक आबादी का एक विशेष सूक्ष्मदर्शी के नीचे परीक्षण करते हुए, उन्होंने पाया कि नैनोट्यूब न केवल इन क्वांटम स्रोतों को धारण करने में सक्षम हैं, बल्कि वे इसे उल्लेखनीय बहुमुखी प्रतिभा के साथ करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये ट्यूब संपूर्ण दृश्य स्पेक्ट्रम (visible spectrum) में प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जिससे उन रंगों के अंतराल भर जाते हैं जो सपाट सामग्रियों में पहले खाली थे। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि ट्यूबों के भीतर के उत्सारक सपाट शीटों के समकक्षों की तुलना में बहुत कम झपकी (blink) लेते हैं और बहुत तेज़ी से चालू और बंद होते हैं, जो ऐसे क्वांटम उपकरणों की ओर मार्ग प्रश経過 करता है जिन्हें अत्यधिक ठंड के बिना संचालित किया जा सके।
अध्ययन एक सरल प्रश्न के साथ शुरू हुआ: क्या नैनोट्यूब की अनूठी ज्यामिति सपाट सामग्रियों की सीमाओं को हल कर सकती है? शोधकर्ताओं ने बोरान नाइट्राइड नैनोट्यूब प्राप्त किए और उन्हें सिलिकॉन की सतह पर रखा। एक उच्च-शक्ति वाले सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए जो प्रकाश को एक एकल बिंदु पर केंद्रित कर सकता था, उन्होंने ट्यूबों को स्कैन किया ताकि यह मानचित्रित किया जा सके कि प्रकाश कहाँ उत्सर्जित हो रहा है। उन्होंने पाया कि ट्यूब एकसमान नहीं थे; इसके बजाय, वे विशिष्ट धब्बों से युक्त थे जो चमकीले दिखाई देते थे। ये धब्बे ही सिंगल-फोटॉन उत्सर्जक थे। जब टीम ने इन धब्बों से आने वाले प्रकाश का विश्लेषण किया, तो उन्होंने रंगों की एक समृद्ध विविधता की खोज की। उत्सरकों ने गहरे बैंगनी से लेकर गहरे लाल तक के प्रकाश का उत्पादन किया, जो मानव आंख द्वारा देखे जाने वाले रंगों के पूर्ण स्पेक्ट्रम को कवर करता है। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी क्योंकि सपाट बोरान नाइट्राइड पर पिछले अध्ययनों ने दिखाया था कि कुछ रंग गायब थे या अत्यंत दुर्लभ थे। नैनोट्यूब, प्रतीत होता है, क्वांटम प्रकाश स्रोतों का एक निरंतर पैलेट प्रदान करते हैं।
यह पुष्टि करने के लिए कि ये धब्बे वास्तव में सिंगल फोटॉन उत्सर्जित कर रहे हैं, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी तकनीक का उपयोग किया जो यह मापती है कि डिटेक्टर तक फोटॉन कैसे पहुँचते हैं। यदि कोई स्रोत एक साथ दो या अधिक फोटॉन उत्सर्जित कर रहा है, तो आगमन का समय यादृच्छिक होगा। हालांकि, यदि यह एक वास्तविक सिंगल-फोटॉन स्रोत है, तो फोटॉन एक-एक करके आते हैं, जिनके बीच एक स्पष्ट अंतराल होता है। माप ने एक स्पष्ट अंतराल दिखाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि नैनोट्यूब वास्तव में सिंगल-फोटॉन उत्सर्जक के रूप में कार्य कर रहे हैं। टीम ने यह भी मापा कि उत्तेजित होने के बाद एक उत्सर्जक द्वारा फोटॉन छोड़ने में कितना समय लगता है। उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया अविश्वसनीय रूप से तेज़ हुई, जिसमें कुछ उत्सरकों ने केवल 0.5 नैनोसेकंड में एक फोटॉन छोड़ा। यह सपाट बोरान नाइट्राइड में पाए जाने वाले सबसे तेज़ उत्सरकों की तुलना में लगभग दोगुना तेज़ है। क्वांटम संचार की दुनिया में, गति ही सब कुछ है; तेज़ उत्सर्जन का अर्थ है कि कम समय में अधिक डेटा भेजा जा सकता है।
हालांकि, यदि स्रोत अविश्वसनीय है तो केवल गति ही पर्याप्त नहीं है। कई सॉलिड-स्टेट उत्सारक "ब्लिंकिंग" (झपकी लेने) नामक समस्या से ग्रस्त होते हैं, जहाँ प्रकाश स्रोत यादृच्छिक रूप से बंद और चालू होता है, या अपने रंग को थोड़ा बदल देता है। यह अस्थिरता अक्सर उत्सतक के अपने वातावरण, जैसे हवा में ऑक्सीजन या अन्य प्रदूषकों के साथ परस्पर क्रिया के कारण होती है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सरल लेकिन प्रभावी समाधान आजमाया: उन्होंने नैनोट्यूब को एल्युमीनियम ऑक्साइड की एक पतली परत से ढंक दिया, जो एक ऐसी सामग्री है जिसका उपयोग अक्सर नाजुक इलेक्ट्रॉनिक्स की सुरक्षा के लिए किया जाता है। उन्होंने एक पतली फिल्म बनाने के लिए 'एटॉमिक लेयर डिपोजिशन' नामक एक सटीक विधि का उपयोग किया, जो केवल 1.5 नैनोमीटर मोटी थी, जिसने नैनोट्यूब को एक सुरक्षात्मक कवच की तरह लपेट दिया।
इस कोटिंग के परिणाम तत्काल और नाटकीय थे। झपकी लेना (blinking) रुक गया। उत्सर्जकों से निकलने वाला प्रकाश स्थिर और सुसंगत हो गया, बिना उन यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के जो बिना कोटिंग वाले ट्यूबों में देखे गए थे। कोटिंग ने प्रकाश की शुद्धता में भी सुधार किया, यह सुनिश्चित करते हुए कि उत्सरक गलती से एक साथ दो फोटॉन छोड़ने की संभावना कम हो। हालांकि कोटिंग ने प्रकाश के रंग में बहुत मामूली बदलाव किया, जो 706 नैनोमीटर से 709 नैनोमीटर की ओर बढ़ गया, लेकिन यह परिवर्तन मामूली और अनुमानित था। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि प्रकाश स्रोत की स्थिरता काफी बढ़ गई, जिससे उत्सरक लंबे समय तक अपनी उत्तेजित अवस्था में रहने और अधिक विश्वसनीय रूप से फोटॉन छोड़ने में सक्षम हुए। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि यह स्थिरता जटिल क्वांटम सर्किट बनाने के लिए आवश्यक है, जहाँ एक झपकी लेने वाला स्रोत गणना या संचार में त्रुटियां पैदा कर सकता है।
इन निष्कर्षों के निहितार्थ केवल एक नई सामग्री खोजने से परे हैं। नैनोट्यूब की आकृति स्वयं इंजीनियरों के लिए एक व्यावहारिक लाभ प्रदान करती है। सपाट शीटों के विपरीत, जो बड़ी और सटीक रूप से रखने में कठिन हो सकती हैं, एक नैनोट्यूब लगभग 60 नैनोमीटर व्यास वाला एक लंबा, पतला सिलेंडर है। यह आकार माइक्रोचिप के सबसे तंग स्थानों में फिट होने के लिए पर्याप्त छोटा है, फिर भी इसे सटीकता के साथ संभालने और रखने के लिए पर्याप्त बड़ा है। चूंकि एक एकल ट्यूब अपनी लंबाई के विभिन्न बिंदुओं पर कई उत्सरकों को धारण कर सकती है, यह सूचना को पैक करने का एक नया तरीका खोलता है। एक एकल नैनोट्यूब एक मल्टी-चैनल स्रोत के रूप में कार्य कर सकती है, जो एक ही पथ में विभिन्न रंगों का प्रकाश भेज सकती है, जिसे 'वेवलेंथ डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग' नामक तकनीक कहा जाता है। यह क्वांटम संचार प्रणालियों की बैंडविड्थ को नाटकीय रूप रूप से बढ़ा सकता है।
शोधकर्ताओं ने यह भी रेखांकित किया कि ये उत्सरक कमरे के तापमान (room temperature) पर काम करते हैं। कई क्वांटम प्रणालियों को कार्य करने के लिए परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान की आवश्यकता होती है, जो उन्हें महंगा और भारी बनाता है। तथ्य यह है कि बोरॉन नाइट्राइड नैनोट्यूब बिना ऐसी अत्यधिक कूलिंग के कुशलतापूर्वक संचालित होते हैं, यह क्वांटम तकनीक को रोजमर्रा के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम है। हालांकि इस अध्ययन ने क्षेत्र की हर चुनौती को हल नहीं किया है, लेकिन इसने प्रदर्शित किया है कि ये नैनोट्यूब एक व्यवहार्य और आशाजनक मंच हैं। वे गति, स्थिरता और वर्णक्रमीय कवरेज (spectral coverage) का एक ऐसा संयोजन प्रदान करते हैं जिसे सपाट सामग्रियां मैच करने में संघर्ष करती हैं। यह सिद्ध करके कि ये एक-आयामी संरचनाएं उच्च-प्रदर्शन वाले क्वांटम उत्सर्जक धारण कर सकती हैं, यह कार्य भविष्य के क्वांटम फोटोनिक्स के लिए एक नया वास्तुशिल्प विकल्प प्रदान करता है, जो यह सुझाव देता है कि स्केलेबल क्वांटम उपकरणों का मार्ग एक छोटे से ट्यूब की सरल, सुरुचिपूर्ण ज्यामिति में निहित हो सकता है।
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