Imaging spin entanglement with a scanning tunneling microscope

क्वांटम यांत्रिकी की सूक्ष्म दुनिया में, कण हमेशा स्वतंत्र व्यक्तियों की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। कभी-कभी, वे एक दूसरे से अटूट रूप से जुड़ जाते हैं, एक एकल अस्तित्व साझा करते हैं, जहाँ एक की स्थिति दूसरे को तुरंत प्रभावित करती है, चाहे उनके बीच की दूरी कितनी भी हो। यह घटना, जिसे एंटैंगलमेंट (entanglement) कहा जाता है, पदार्थ के सबसे जटिल व्यवहारों को जोड़ने वाले अजीब गोंद की तरह है। दशकों से, वैज्ञानिक इस अदृश्य संबंध को देखने और मापने के तरीके खोज रहे हैं, विशेष रूप से उन सामग्रियों में जिन्हें भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण खंड के रूप में कार्य करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। चुनौती यह रही है कि एंटैंगलमेंट एक वैश्विक गुण है; यह एक प्रणाली के कई हिस्सों के बीच के संबंध का वर्णन करता है, फिर भी जिन उपकरणों का उपयोग हम पदार्थ को देखने के लिए करते हैं, वे अक्सर एक समय में केवल एक छोटे से बिंदु को ही देख पाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस अंतर को पाटने का एक तरीका खोज लिया है, जिससे एक मानक प्रयोगशाला उपकरण को क्वांटम कनेक्शन के कैमरे में बदल दिया गया है। उन्होंने सतह पर निर्मित चुंबकीय परमाणुओं की कृत्रिम श्रृंखलाओं पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ परमाणु एक-दूसरे के साथ छोटे चुंबकों की तरह परस्पर क्रिया करते हैं। इनलेटिक इलेक्ट्रॉन टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (inelastic electron-tunneling spectroscopy) नामक तकनीक का उपयोग करके, जिसमें इन परमाणुओं की ऊर्जा को मापने के लिए एक नुकीले धातु के सिरे के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को भेजा जाता है, उन्होंने पाया कि पीछे छोड़े गए ऊर्जा संकेत एक छिपे हुए कोड को प्रकट करते हैं। यह कोड न केवल यह बताता है कि परमाणु कैसे व्यवस्थित हैं, बल्कि यह भी बताता है कि वे अपने पड़ोसियों के साथ कितनी गहराई से एंटैंगल्ड हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि श्रृंखला के विभिन्न बिंदुओं पर ऊर्जा संकेतों के आकार और ऊंचाई का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करके, वे प्रत्येक परमाणु के बीच क्वांटम बंधन की ताकत का मानचित्र बना सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से एक स्थानीय माप को एंटैंगलमेंट की एक वैश्विक छवि में बदल दिया गया।

यह कहानी परमाण्विक श्रृंखलाओं द्वारा ऊर्जा के प्रति दी जाने वाली प्रतिक्रिया के एक सरल अवलोकन के साथ शुरू होती है। जब एक इलेक्ट्रॉन टिप से श्रृंखला में टनल करता है, तो वह परमाणुओं को ऊर्जा की एक सूक्ष्म मात्रा स्थानांतरित कर सकता है, जिससे वे उच्च ऊर्जा अवस्था में कूद जाते हैं। यह उछाल विद्युत धारा में एक विशिष्ट 'स्टेप' (step) बनाता है, एक ऐसा संकेत जिसका उपयोग वैज्ञानिक लंबे समय से चुंबकीय अंतःक्रियाओं के प्रकारों को पहचानने के लिए करते आए हैं। हालाँकि, नया कार्य इससे कहीं आगे जाता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि ऊर्जा की एक सीमा के भीतर मापे जाने पर इन स्टेप्स का कुल आकार एक विशिष्ट गणितीय मान रखता है जो सीधे "वन-टैंगल" (one-tangle) के अनुरूप होता है। यह इस बात का माप है कि एक एकल परमाणु शेष श्रृंखला के साथ कितना एंटैंगल्ड है। यदि एक परमाणु पूरी तरह से स्वतंत्र है, तो यह मान शून्य होता है; यदि वह अधिकतम रूप से एंटैंगल्ड है, तो यह अपने शिखर पर होता है। प्रत्येक स्थान पर कुल ऊर्जा स्टेप्स को मापकर, टीम इस मान की गणना कर सकी और एक मानचित्र बना सकी जो दिखाता है कि एंटैंगलमेंट कहाँ सबसे मजबूत है और कहाँ फीका पड़ता जा रहा है।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने नैनोग्राफीन (nanographene) की वास्तविक श्रृंखलाओं से एकत्र किए गए प्रयोगात्मक डेटा पर अपनी विधि लागू की, जो कार्बन परमाणुओं से बनी एक सामग्री है जो विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित होती है। ये श्रृंखलाएं परस्पर क्रिया करने वाले स्पिन की एक पंक्ति की तरह कार्य करती हैं, जो क्वांटम चुंबकत्व के नियमों के अनुसार व्यवहार करती हैं। शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी से प्राप्त कच्चे विद्युत डेटा को संसाधित किया ताकि 'एनर्जी मोमेंट्स' (energy moments) निकाले जा सकें, जो मूल रूप से सिग्नल के भारित औसत (weighted averages) हैं। उन्होंने पाया कि परिणाम उल्लेखनीय सटीकता के साथ सैद्धांतिक भविष्यवाणियों से मेल खाते हैं। चार, छह और आठ परमाणुओं की श्रृंखलाओं में, इस पद्धति ने एंटैंगलमेंट के स्थानिक पैटर्न को सफलतापूर्वक पुनर्गठित किया। इसने खुलासा किया कि पड़ोसी परमाणुओं के बीच बंधन की ताकत एकसमान नहीं थी; इसके बजाय, यह दोलन (oscillate) करती थी, जिससे मजबूत और कमजोर कड़ियों का एक पैटर्न बना जो इन क्वांटम प्रणालियों के अपेक्षित व्यवहार से मेल खाता था। इसने पुष्टि की कि स्थानीय प्रोब वास्तव में उन गैर-स्थानीय संबंधों को "देख" सकता है जो पूरी श्रृंखला को एक साथ बांधते हैं।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि यह तकनीक कैसे तीन परमाणुओं को शामिल करने वाले अधिक जटिल एंटैंगलमेंट रूपों को प्रकट कर सकती है। तीन परस्पर क्रिया करने वाले स्पिन के समूह में, एक विशेष प्रकार का संबंध होता है जहाँ तीनों इस तरह से जुड़े होते हैं जिसे सरल जोड़ों में विभाजित नहीं किया जा सकता। टीम ने दिखाया कि ऊर्जा संक्रमणों के विशिष्ट तीव्रता का उपयोग इस त्रिपक्षीय (tripartite) एंटैंगलमेंट को मापने के लिए किया जा सकता है। ऊर्जा स्टेप्स के संयुक्त भार को देखकर, वे निर्धारित कर सके कि प्रणाली में कितना वास्तविक त्रिपक्षीय एंटैंगलमेंट मौजूद था। यह एक महत्वपूर्ण प्रगति है, क्योंकि यह सरल जोड़ों से आगे बढ़कर क्वांटम संबंधों के अधिक जटिल जाल को देखने की दिशा में एक कदम है जो उन्नत क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक हो सकते हैं।

इस खोज का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह समझना था कि एक ऐसा उपकरण जो एक समय में केवल एक परमाणु को छूता है, वह दूर स्थित परमाणुओं के बीच के संबंधों के बारे में कैसे जान सकता है। शोधकर्ताओं ने इसे एक डिजिटल क्वांटम कंप्यूटर के कार्य करने के समानांतर उदाहरण से समझाया। एक क्वांटम सर्किट में, एक क्यूबिट (qubit) पर एक एकल ऑपरेशन पूरे सिस्टम में परिवर्तनों की एक लहर पैदा कर सकता है क्योंकि क्यूबिट्स साझा नियमों के सेट के तहत एक साथ विकसित होते हैं। इसी तरह, जब इलेक्ट्रॉन श्रृंखला में एक परमाणु से टकराता है, तो उससे उत्पन्न प्रतिक्रिया सभी परमाणुओं के सामूहिक नृत्य (collective dance) द्वारा आकार लेती है। ऊर्जा स्तर और सिग्नल की ताकत पूरे सिस्टम के अंतःक्रिया के इतिहास द्वारा निर्धारित होती है। इसलिए, भले ही माइक्रोस्कोप टिप स्थानीय हो, लेकिन यह जो जानकारी एकत्र करती है वह पूरे सिस्टम का प्रतिबिंब होती है। यह अंतर्दृष्टि माप की स्थानीय प्रकृति को एंटैंगलमेंट की वैश्विक प्रकृति के साथ जोड़ती है, यह दर्शाती है कि स्थानीय सिग्नल सिस्टम की सामूहिक अवस्था का एक विश्वसनीय रिपोर्टर है।

इस कार्य के निहितार्थ क्वांटम सामग्रियों के क्षेत्र के लिए अत्यंत गहरे हैं। यह जटिल वैश्विक मापों के साथ सिस्टम को बाधित किए बिना एंटैंगलमेंट का पता लगाने और उसे मापने का एक नया तरीका स्थापित करता है। यह विधि तब भी काम करती है जब सिस्टम एक सीमित तापमान पर होता है, जब तक कि तापीय ऊर्जा इतनी कम हो कि वह क्वांटम संकेतों को मिटा न दे। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि टनलिंग करंट में ऊर्जा स्टेप्स को देखकर, कोई भी सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा, इसकी चुंबकीय ऊष्मा क्षमता (magnetic heat capacity) और परमाणुओं के बीच बंधों की विशिष्ट शक्ति निकाल सकता है। यह एक मानक स्पेक्ट्रोस्कोपिक उपकरण को क्वांटम सहसंबंधों के लिए एक शक्तिशाली नैदानिक (diagnostic) उपकरण में बदल देता है।

अंत में, यह शोध कार्य क्वांटम एंटैंगलमेंट की इमेजिंग के लिए एक स्पष्ट और व्यावहारिक मार्ग प्रस्तुत करता है। यह दिखाता है कि परमाणुओं के बीच के अजीब, अदृश्य लिंक केवल सैद्धांतिक अवधारणाएं नहीं हैं, बल्कि मापने योग्य भौतिक मात्राएं हैं जिन्हें अंतरिक्ष में मैप किया जा सकता है। इलेक्ट्रॉन टनलिंग की स्थानीय क्रिया को स्पिन श्रृंखला के वैश्विक गुणों से जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा लेंस प्रदान किया है जिसके माध्यम से क्वांटम दुनिया को देखा जा सकता है। यह दृष्टिकोण वैज्ञानिकों को इंजीनियर की गई सामग्रियों में एंटैंगलमेंट की संरचना को विज़ुअलाइज़ करने की अनुमति देता है, जो भविष्य की तकनीकों के लिए डिज़ाइन किए गए सिस्टम में क्वांटम अवस्थाओं की गुणवत्ता को सत्यापित करने का एक सीधा तरीका प्रदान करता है। यह कार्य पुष्टि करता है कि सही विश्लेषण के साथ, स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप के शांत संकेत क्वांटम जुड़ाव की मुखर कहानी सुना सकते हैं।