Neutronic Field-Effect Transistor

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, सूचना के प्रवाह को नियंत्रित करने की क्षमता स्मार्टफोन से लेकर सुपरकंप्यूटर तक सब कुछ का आधार है। यह नियंत्रण आमतौर पर विद्युत आवेश (इलेक्ट्रिक चार्ज) की गति को प्रबंधित करके प्राप्त किया जाता है, लेकिन स्पिंट्रोनिक्स के रूप में जाना जाने वाला एक समानांतर अध्ययन क्षेत्र एक अलग गुण की खोज करता है: कणों का आंतरिक स्पिन। कल्पना कीजिए कि प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के साथ एक छोटी, आंतरिक दिशा-सूचक सुई (कम्पास नीडल) जुड़ी हुई है; स्पिंट्रोनिक्स में, वैज्ञानिक केवल बिजली की उपस्थिति या अनुपस्थिति के बजाय, इस सुई की दिशा—ऊपर या नीचे की ओर इशारा करने—का उपयोग डेटा का प्रतिनिधित्व करने के लिए करने का प्रयास करते हैं। जबकि शोधकर्ता लंबे समय से ऐसे उपकरण बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो इन स्पिन दिशाओं को विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके चालू और बंद कर सकें, ठीक वैसे ही जैसे एक मानक लाइट स्विच होता है, लेकिन इलेक्ट्रॉनों के लिए उपयोग किए जाने वाले पदार्थ अक्सर शोर और खामियों से जूझते हैं जो नाजुक स्पिन जानकारी को अस्त-व्यस्त कर देते हैं। इसने भौतिकविदों को अधिक स्वच्छ, अधिक पृथक वातावरण खोजने के लिए प्रेरित किया है जहाँ क्वांटम प्रभावों का अधिक सटीकता के साथ लाभ उठाया जा सके, और उन कणों की ओर मुड़ने के लिए प्रेरित किया है जिनमें कोई विद्युत आवेश नहीं होता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब न्यूट्रॉन का उपयोग करके एक स्पिन-आधारित स्विच का एक कार्यात्मक संस्करण सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है, जो न्यूट्रॉन परमाणु के केंद्र में पाए जाने वाले तटस्थ कण हैं। हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, यह कार्य एक उपकरण पेश करता है जिसे 'न्यूट्रोनिक फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर' कहा जाता है। अपने इलेक्ट्रॉनिक समकक्षों के विपरीत, जो आवेश के प्रवाह पर निर्भर करते हैं, यह नया उपकरण न्यूट्रॉनों की एक बीम और एक विशेष क्रिस्टल उपकरण का उपयोग करके उनके आंतरिक स्पिन की दिशा को नियंत्रित करता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी मशीन बनाई है जो एक आदर्श क्रिस्टल इंटरफेरोमीटर के रूप में कार्य करती है, एक ऐसी संरचना जो न्यूट्रॉन की एक बीम को दो अलग-अलग पथों में विभाजित करती है और फिर उन्हें वापस एक साथ लाती है। इन दोनों पथों में से एक के अनुकूल परिस्थितियों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे न्यूट्रॉनों की गति या ऊर्जा को बदले बिना उनके स्पिन को बदल सकते हैं। जब दोनों पथ पुन: संयोजित होते हैं, तो न्यूट्रॉन एक-दूसरे के साथ इस तरह से हस्तक्षेप (इंटरफेरे) करते हैं जिससे शोधकर्ता बीम की अंतिम स्पिन दिशा को नियंत्रित कर सकते हैं, जो प्रभावी रूप से एक स्विच को चालू करता है जो विभिन्न स्पिन अवस्थाओं के बीच चयन करता है।

यह प्रयोग न्यूट्रॉन अनुसंधान के लिए समर्पित एक सुविधा में आयोजित किया गया था, जहाँ न्यूट्रॉन की एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य वाली बीम को सिलिकॉन के एक उच्च-शुद्धता वाले एकल क्रिस्टल से तराशे गए उपकरण में निर्देशित किया गया था। इस क्रिस्टल को तीन पतले ब्लेडों के रूपए आकार दिया गया था जो मानक ऑप्टिकल इंटरफेरोमीटर में दर्पणों और बीम स्प्लिटर की तरह कार्य करते हैं, लेकिन प्रकाश के बजाय पदार्थ तरंगों (मैटर वेव्स) के लिए। आने वाले न्यूट्रॉन अनपोलराइज्ड (unpolarized) थे, जिसका अर्थ है कि उनकी आंतरिक दिशा-सूचक सुइयाँ यादृच्छिक दिशाओं में थीं। जैसे ही बीम क्रिस्टल में प्रवेश करती है, वह दो अलग-अलग पथों में विभाजित हो जाती है। इनमें से एक पथ में, शोधकर्ताओं ने परमॉय (permalloy) नामक चुंबकीय सामग्री की एक बहुत पतली फिल्म रखी। इस फिल्म को घुमाकर, वे उस चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को बदल सकते थे जिसका न्यूट्रॉन अनुभव करते हैं, जो बदले में उस विशिष्ट पथ से गुजरते समय न्यूट्रॉनों के स्पिन के ओरिएंटेशन को बदल देता है।

नियंत्रण तंत्र को पूरा करने के लिए, टीम ने एक क्वार्ट्ज प्लेट को पथ में डालकर एक 'फेज शिफ्ट' (चरण बदलाव) भी पेश किया, जो न्यूट्रॉनों की तरंग-जैसी प्रकृति में एक सूक्ष्म विलंब है। यह फेज शिफ्ट दूसरे नियंत्रण नॉब के रूप में कार्य करता है, जो चुंबकीय फिल्म के साथ मिलकर काम करता है। जब न्यूट्रॉनों के दोनों पथों को तीसरे क्रिस्टल ब्लेड द्वारा पुन: संयोजित किया जाता है, तो उनके बीच का हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) बीम की अंतिम अवस्था को निर्धारित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि चुंबकीय रोटेशन और फेज डिले को ट्यून करके, वे आउटपुट बीम के पोलराइजेशन को निरंतर समायोजित कर सकते हैं। सरल शब्दों में, वे न्यूट्रॉनों को ज्यादातर ऊपर, ज्यादातर नीचे, या इन दोनों के बीच कहीं भी उभरने के लिए बना सकते हैं, और यह सब एक पूरी तरह से यादृच्छिक इनपुट से शुरू होता है।

प्रयोग के परिणाम सटीक और मापने योग्य थे। टीम ने 77 प्रतिशत का अधिकतम पोलराइजेशन प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि सर्वोत्तम विन्यास में, आउटपुट बीम में लगभग पाँच में से चार न्यूट्रॉन वांछित दिशा में संरेखित थे। इस स्तर का नियंत्रण केवल क्रिस्टल इंटरफेरोमीटर की अंतर्निहित गुणवत्ता द्वारा सीमित था, जिसका कंट्रास्ट 83 प्रतिशत था, जो दर्शाता है कि उपकरण उतना ही प्रदर्शन कर रहा था जितना कि भौतिक सामग्रियां अनुमति देती हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि यह उपकरण ठीक उसी तरह कार्य करता है जैसे एक ट्रांजिस्टर को करना चाहिए: इनपुट न्यूट्रॉनों की एक स्थिर धारा है, "गेट" नियंत्रण चुंबकीय और फेज समायोजन हैं, और आउटपुट एक ऐसी बीम है जिसके गुण उन नियंत्रणों द्वारा निर्धारित होते हैं। यह सफल प्रदर्शन सिद्ध करता है कि न्यूट्रॉन उन स्पिंट्रोनिक उपकरणों को बनाने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं जो दशकों पहले प्रस्तावित इलेक्ट्रॉन-आधारित स्विचों के समान हैं, लेकिन एक बहुत ही शांत, कम शोर वाले वातावरण में संचालित होने के लाभ के साथ।

इस स्विच को बनाने की तत्काल सफलता के अलावा, यह उपकरण व्यक्तिगत न्यूट्रॉनों के स्पिन को मापने का एक नया तरीका प्रदान करता है। क्योंकि बीम बहुत विरल है, जिसमें आमतौर पर इंटरफेरोमीटर के भीतर किसी भी क्षण एक न्यूट्रॉन से कम होता है, शोधकर्ता एकल कणों के व्यवहार का अवलोकन कर सकते हैं। जब नियंत्रणों को एक विशिष्ट स्पिन अवस्था का पक्ष लेने के लिए सेट किया जाता है, तो आउटपुट पथ में एक न्यूट्रॉन का पता चलना उसके स्पिन का सीधा, सिंगल-शॉट माप प्रदान करता है। यह क्षमता नए प्रकार के क्वांटम मापन के द्वार खोलती है और अंततः क्वांटंत लॉजिक गेट्स के विकास का समर्थन कर सकती है, जो भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों के निर्माण खंड हैं। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि यह रोजमर्रा के कंप्यूटरों में इलेक्ट्रॉनिक ट्रांजिस्टर की जगह लेगा, बल्कि यह मौलिक क्वांटम अवधारणाओं के परीक्षण और यह अन्वेषण करने के लिए एक स्वच्छ मंच स्थापित करता है कि कैसे पदार्थ तरंगों को प्रकाश की तरह ही सटीकता के साथ हेरफेर किया जा सकता है। यह दिखाकर कि एक तटस्थ कण बीम को इतनी सटीकता के साथ स्विच और नियंत्रित किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने ब्रह्मांड की क्वांटम प्रकृति की जांच करने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान किया है।