Natural van der Waals silicates as hosts for telecom quan- tum emitters: the case of erbium-doped talc

क्वांटम इंटरनेट बनाने की खोज एक नाजुक तकनीक पर टिकी है: जानकारी को खोए बिना विशाल दूरियों तक भेजने का एक तरीका खोजना। प्रकाश-आधारित संचार की दुनिया में, सबसे कुशल राजमार्ग वही है जिसका उपयोग हमारे वैश्विक दूरसंचार नेटवर्क द्वारा किया जाता है, जो इन्फ्रारेड प्रकाश की एक विशिष्ट बैंड है, जो न्यूनतम हानि के साथ कांच के रेशों (ग्लास फाइबर्स) के माध्यम से यात्रा करता है। इस राजमार्ग का उपयोग क्वांटम सूचना के लिए करने हेतु, वैज्ञानिकों को प्रकाश के एकल कणों, या फोटोन के एक विश्वसनीय स्रोत की आवश्यकता है, जिन्हें ठीक इसी तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) पर उत्पन्न और नियंत्रित किया जा सके। दशकों से, एर्बियम आयन नामक एक विशिष्ट प्रकार का परमाणु इस काम के लिए अग्रणी उम्मीदवार रहा है क्योंकि यह स्वाभाविक रूप से इसी सटीक रेंज में प्रकाश उत्सर्जित करता है। हालांकि, इन आयनों को एक ऐसे ठोस पदार्थ में फंसाना जो स्थिर भी हो और काम करने में आसान भी, कठिन साबित हुआ है। अधिकांश मौजूदा सामग्रियां या तो बहुत अव्यवized (मेसी) हैं, जिससे प्रकाश धुंधला हो जाता है, या बहुत कठोर हैं, जिससे उन्हें आधुनिक तकनीक के लिए आवश्यक सूक्ष्म, स्तरित उपकरणों में एकीकृत करना असंभव हो जाता है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक साधारण, प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले खनिज, टैल्क (talc) की ओर अपना ध्यान आकर्षित किया है। टैल्क पृथ्वी का सबसे नरम खनिज है, जिसे बेबी पाउडर के रूप में जाना जाता है, लेकिन इसमें एक अनूठी आंतरिक संरचना है जो इसे उच्च-तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए एक उम्मीदवार बनाती है। यह परमाणु रूप से पतली परतों से बना है जो कमजोर बलों द्वारा जुड़ी हुई हैं, जिससे इन्हें एक किताब के पन्नों की तरह अलग किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह जांचने के लिए किया कि यदि टैल्क की एक एकल परत में मैग्नीशियम परमाणु को एक एर्बियम आयन से बदल दिया जाए तो क्या होगा। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या टैल्क एर्बियम को उसकी प्रकाश उत्सर्जित करने की विशेष क्षमता को बाधित किए बिना होस्ट कर सकता है, और क्या परिणामी सामग्री भविष्य के क्वांटम उपकरणों के लिए एक स्थिर मंच के रूपए कार्य कर सकती है।

अध्ययन की शुरुआत टैल्क की क्रिस्टल संरचना में एक एर्बियम परमाणु के बसने के विभिन्न तरीकों का मानचित्रण करके हुई। यह खनिज सिलिकॉन और ऑक्सीजन की परतों से बना है, जो मैग्नीशियम और हाइड्रोक्साइड समूहों को बीच में दबाए रखती हैं। शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि क्या एर्बियम केवल परतों के बीच बैठा रहेगा या एक शीट के भीतर एक मैग्नीशियम परमाणु का स्थान लेगा। उन्होंने पाया कि एर्बियम परमाणु मैग्नीशियम परमाणु का स्थान लेने को दृढ़ता से प्राथमिकता देता है, जो एक ऊर्जावान रूप से अनुकूल प्रक्रिया है और सही परिस्थितियों में स्वाभाविक रूप से होने की संभावना है। उन्होंने यह भी जांचा कि क्या पास में मौजूद हाइड्रोजन परमाणतों की कमी से एर्बियम के व्यवहार में बदलाव आएगा। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस वातावरण में एर्बियम आयन का सबसे स्थिर और सामान्य रूप अपना +3 चार्ज बनाए रखता है, जो संचार के महत्वपूर्ण वेवलेंथ पर प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए आवश्यक विशिष्ट अवस्था है।

एक बार स्थिर संरचनाओं की पहचान हो जाने के बाद, टीम ने यह भी देखा कि टैल्क के भीतर प्रकाश कैसा व्यवहार करेगा। एक निर्वात (वैक्यूम) में, एक अलग एर्बियम आयन प्रकाश का एक बहुत ही तीक्ष्ण, एकल रंग उत्सर्जित करता है। एक ठोस क्रिस्टल के भीतर रखे जाने पर, आसपास के परमाणु आमतौर पर आयन को धकेलते और खींचते हैं, जिससे वह एकल रंग थोड़े अलग वेवलेंथ के एक अस्त-व्यस्त समूह में विभाजित हो जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि टैल्क का वातावरण उल्लेखनीय रूप से सौम्य है। हालांकि यह प्रकाश को कुछ अलग रेखाओं में विभाजित करता है, लेकिन प्रभाव इतना छोटा है कि एर्बियम आयन काफी हद तक अप्रभावित रहता है। इसके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश 1.55 माइक्रोमीटर के पास केंद्रित रहता है, जो फाइबर-ऑप्टिक संचार के लिए मानक वेवलेंथ है। सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की कि प्रकाश लगभग 30 मिलीसेकंड तक—जो कि इस उद्देश्य के लिए उपयोग की जाने वाली सर्वोत्तम मौजूदा सामग्रियों के बराबर है—काफी समय तक बना रहेगा।

शोधकर्ताओं ने यह भी गणना की कि प्रकाश क्रिस्टल के भीतर विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। उन्होंने पाया कि टैल्क की संरचना प्रकाश के उत्सर्जन को थोड़ा बढ़ाती है, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि सामग्री स्वयं प्रकाश तरंगों को धीमा कर देती है, जिससे फोटॉन उत्सर्जित करने की प्रक्रिया अधिक कुशल हो जाती है। यह संवर्धन एक जटिल इंजीनियरिंग उपलब्धि के बजाय सामग्री के ऑप्टिकल गुणों का एक स्वाभाविक परिणाम है। अध्ययन बताता है कि टैल्क उस प्रकार का बैकग्राउंड शोर या अस्थिरता पैदा नहीं करता है जो अक्सर अन्य सामग्रियों में देखा जाता है, जिससे यह एर्बियम आयन के लिए एक स्वच्छ होस्ट बनता है। एकमात्र महत्वपूर्ण परिवर्तन जो देखा गया वह एर्बियम परमाणु के आसपास के बॉन्ड लेंथ (बंध लंबाई) में मामूली विरूपण था, लेकिन इसने प्रकाश उत्सर्जन के लिए आवश्यक इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बाधित नहीं किया।

शायद सबसे व्यावहारिक निष्कर्ष यह है कि इस सामग्री का उपयोग वास्तविक उपकरण में कैसे किया जा सकता है। चूंकि टैल्क कमजोर रूप से जुड़े हुए परतों से बना है, इसलिए एर्बियम आयनों वाले एक पतले फ्लेक (पपड़ी) को निकाला जा सकता है और सीधे एक पूर्व-निर्मित ऑप्टिकल सर्किट पर रखा जा सकता है। यह दृष्टिकोण जटिल क्रिस्टल को नाजुक इलेक्ट्रॉनिक घटकों के ऊपर उगाने की आवश्यकता को समाप्त करता है, जो अक्सर अंतर्निहित संरचना को नुकसान पहुंचाता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि एर्बियम-डोप्ड टैल्क के एक फ्लेक को सीधे एक छोटे ऑप्टिकल कैविटी के बगल में रखा जा सकता है, जो एक ऐसी संरचना है जिसे प्रकाश को पकड़ने और बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह सेटअप वैज्ञानिकों को एर्बियम आयन से प्रकाश की एक एकल, तीक्ष्ण रेखा चुनने और उसकी चमक बढ़ाने की अनुमति देगा, जो एक विश्वसनीय सिंगल-फोटोन स्रोत बनाने के लिए एक आवश्यक कदम है।

यह कार्य अभी एक सैद्धांतिक अन्वेषण बना हुआ है, जो भौतिक प्रयोगों के बजाय कंप्यूटर मॉडल पर निर्भर है। शोधकर्ताओं ने अभी तक भौतिक रूप से सामग्री को विकसित नहीं किया है और न ही प्रयोगशाला में इसके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश को मापा है। हालांकि, सिमुलेशन बताते हैं कि क्या उम्मीद की जानी चाहिए, इसके लिए एक मजबूत रोडमैप प्रदान करते हैं। वे संकेत देते हैं कि टैल्क संरचना में प्रवेश करने के लिए एर्बियम का थर्मोडायनामिक खिंचाव मजबूत है, और परिणामी ऑप्टिकल गुण क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि एर्बियम परतों के बीच ढीला बैठा रहेगा, बल्कि यह दिखाता है कि स्थिर होने के लिए उसे शीट के भीतर ही एकीकृत होना चाहिए। यह यह भी सुझाव देता है कि सामग्री उन चार्ज उतार-चढ़ाव से ग्रस्त होने की संभावना नहीं है जो अन्य होस्ट्स में प्रदर्शन को कम कर देते हैं।

यह शोध फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क के मौजूदा बुनियादी ढांचे में क्वांटम उत्सर्जकों (इमिटर्स) को एकीकृत करने के लिए एक नया मार्ग खोलता है। एक प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले, स्तरित खनिज की पहचान करके, जो इन आयनों को इतनी प्रभावी ढंग से होस्ट कर सकता है, टीम ने क्वांटम प्रौद्योगिकी में एक प्रमुख बाधा का संभावित समाधान पेश किया है। एक विस्तृत ऊर्जा अंतराल (एनर्जी गैप), कम बैकग्राउंड शोर और फ्लेक के रूप में अलग किए जाने की क्षमता का संयोजन टैल्क को एक आशाजनक, यदि अप्रत्याशित, उम्मीदवार बनाता है। यदि भविष्य के प्रयोग इन भविष्यवाणियों की पुष्टि करते हैं, तो एर्बियम-डोप्ड टैल्क सुरक्षित संचार के भविष्य के लिए स्केलेबल क्वांटम नेटवर्क के विकास में एक प्रमुख घटक बन सकता है, जो एक सामान्य खनिज को सुरक्षित संचार के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण में बदल सकता है।