A Hybrid High-Spin Molecular Magnet for an Integrated Sensing–Storage Quantum Register
यह अध्ययन एक एकल P@C60 अणु के भीतर एक एकीकृत क्वांटम रजिस्टर के निर्माण को प्रदर्शित करता है, जो एक उच्च-स्पिन प्रणाली को संश्लेषित करके और उन्नत चुंबकीय संवेदन तथा परमाणु स्पिन सुसंगतता (nuclear spin coherence) के माध्यम से दीर्घकालिक क्वांटम भंडारण प्राप्त करने के लिए इसके पूर्ण इलेक्ट्रॉन-परमाणु स्पिन मैनिफोल्ड का उपयोग करके किया गया है।
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क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक ऐसे सूक्ष्म, नियंत्रणीय प्रणालियों की तलाश कर रहे हैं जो सूचना को धारण कर सकें। ये प्रणालियाँ, जिन्हें क्वबिट्स (qubits) के रूप में जाना जाता है, क्वांटम मेमोरी की मौलिक इकाइयाँ हैं, जो एक साथ कई अवस्थाओं में रहने में सक्षम हैं। जबकि कई शोधकर्ता इन क्वबिट्स को रखने के लिए हीरे या सुपरकंडक्टिंग सर्किट जैसी ठोस सामग्रियों की ओर देखते हैं, अन्य व्यक्तिगत अणुओं की ओर मुड़ रहे हैं। अणु एक अनूठा लाभ प्रदान करते हैं: वे स्व-निहित इकाइयाँ हैं जहाँ विभिन्न प्रकार के परमाणु स्पिन सह-अस्तित्व में रह सकते हैं। एक प्रकार का स्पिन, जो इलेक्ट्रॉनों में पाया जाता है, चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है, जो इसे पर्यावरण को महसूस करने के लिए उत्कृष्ट बनाता है। दूसरा प्रकार का स्पिन, जो परमाणु नाभिक में पाया जाता है, बहुत अधिक अलग-थलग और स्थिर होता है, जो इसे लंबे समय तक सूचना संग्रहीत करने के लिए आदर्श बनाता है। चुनौती इन दो विशिष्ट क्षमताओं को एक ही अणु में संयोजित करने की रही है जो एक संकेत को महसूस कर सके और फिर उस जानकारी को मिटने से पहले तुरंत सुरक्षित कर सके।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह प्रदर्शित किया है कि एक विशिष्ट अणु, जिसमें एक कार्बन पिंजरा (carbon cage) और एक एकल फास्फोरस परमाणु है, इस एकीकृत प्रणाली के रूप में कार्य कर सकता है। यह अणु, जिसे फास्फोरस एंडोहेड्रल फुलरीन (phosphorus endohedral fullerene) के रूप में जाना जाता है, एक हाइब्रिड क्वांटम रजिस्टर के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने इस अणु को पिछले प्रयासों की तुलना में अधिक सुरक्षित और कुशल विधि का उपयोग करके सफलतापूर्वक संश्लेषित किया, जिससे इसे ग्राम-स्तर की मात्रा में उत्पादित किया जा सका। इसके बाद उन्होंने अणु की आंतरिक चुंबकीय संरचना का मानचित्रण किया, जिससे इलेक्ट्रॉन और फास्फोरस नाभिक के बीच की परस्पर क्रिया से बनी आठ विशिष्ट ऊर्जा स्तरों की एक जटिल श्रृंखला का पता चला। सटीक माइक्रोवेव और रेडियो-फ्रीक्वेंसी पल्स का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया कि वे इस संरचना के भीतर प्रत्येक ट्रांज़िशन (transition) को नियंत्रित कर सकते हैं। इस स्तर के नियंत्रण ने उन्हें एक ऐसी अवस्था बनाने की अनुमति दी जहाँ अणु पहले की तुलना में अधिक स्पष्टता के साथ कमजोर चुंबकीय संकेतों का पता लगा सके। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उन्होंने यह सिद्ध किया कि वे एकत्रित सूचना को संवेदनशील इलेक्ट्रॉन स्पिन से स्थिर परमाणु स्पिन में स्थानांतरित कर सकते हैं, जिससे डेटा को उस अवधि के लिए संरक्षित किया जा सका जो इलेक्ट्रॉन द्वारा अकेले बनाए रखने की क्षमता से लगभग एक हजार गुना अधिक लंबी थी।
इस खोज की यात्रा इस अणु को बनाने के एक सुरक्षित तरीके की आवश्यकता से शुरू हुई। शुरुआती तरीकों में फास्फोरस परमाणु को कार्बन पिंजरे के भीतर डालने के लिए अत्यधिक जहरीली गैसों का उपयोग किया जाता था, जिससे सुरक्षा के महत्वपूर्ण जोखिम उत्पन्न होते थे और उत्पादन सीमित हो जाता था। शोधकर्ताओं ने ठोस लाल फास्फोरस को एक पॉलीमर बाइंडर के साथ मिलाकर एक नया दृष्टिकोण विकसित किया। उन्होंने इस ठोस सामग्री को आयनित किया और इसे कार्बन वाष्प पर दागा, जिससे फास्फोरस कार्बन पिंजरों के भीतर फंस गया। इस जोखिम-मुक्त प्रक्रिया ने उन्हें कच्चे माल को प्रतिदिन ग्रामों की दर से उत्पादित करने की अनुमति दी। मिश्रण को शुद्ध करने के बाद, उन्होंने मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करके वांछित अणु की उपस्थिति की पुष्टि की, जिसने एक कार्बन पिंजरे के भीतर रखे गए एकल फास्फोरस परमाणु के सटीक वजन को दर्शाया।
अणु को हाथ में लेने के बाद, टीम ने इसके चुंबकीय व्यवहार को समझने की ओर रुख किया। पिंजरे के भीतर मौजूद फास्फोरस परमाणु एक इलेक्ट्रॉन स्पिन और एक परमाणु स्पिन दोनों वहन करता है। इलेक्ट्रॉन स्पिन शक्तिशाली है और आसपास के चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करता है, जबकि परमाणु स्पिन कमजोर और शांत होता है। चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर, ये दोनों स्पिन मिलकर आठ विशिष्ट ऊर्जा स्तरों का एक सेट बनाते हैं, जो प्रभावी रूप से एक ही अणु के भीतर एक तीन-क्वबिट प्रणाली बनाते हैं। शोधकर्ताओं ने इन स्तरों की जांच करने के लिए इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक रेजोनेंस नामक तकनीक का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि कार्बन पिंजरा, हालांकि आम तौर पर सुरक्षात्मक होता है, आसपास के विलायक (solvent) अणुओं द्वारा थोड़ा विकृत हो जाता है। यह विरूपण एक सूक्ष्म आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है जो ऊर्जा स्तरों को और विभाजित करता है, जिससे शोधकर्ताओं को प्रत्येक ट्रांज़िशन को व्यक्तिगत रूप से संबोधित करने की अनुमति मिलती है। यह एक महत्वपूर्ण कदम था, क्योंकि ऐसी जटिल प्रणालियों को नियंत्रित करने के पिछले प्रयास अक्सर विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं के बीच अंतर करने की अक्षमता के कारण बाधित हुए थे।
शोधकर्ताओं ने फिर दिखाया कि वे उच्च सटीकता के साथ इन ऊर्जा स्तरों में हेरफेर कर सकते हैं। उन्होंने इलेक्ट्रॉन स्पिन को संचालित करने के लिए माइक्रोवेव पल्स और परमाणु स्पिन को संचालित करने के लिए रेडियो-फ्रीक्वेंसी पल्स का प्रयोग किया। इन पल्सों के समय को सावधानीपूर्वक निर्धारित करके, वे कई ऊर्जा स्तरों में फैली जटिल क्वांटम अवस्थाओं को बनाने में सक्षम रहे। उन्होंने यह मापा कि ये अवस्थाएँ कितनी लंबी अवधि तक जीवित रहती हैं, और पाया कि अणु ने अपनी क्वांटम सुसंगतता (coherence) को एक महत्वपूर्ण समय तक बनाए रखा, यहाँ तक कि उन तापमानों पर भी जहाँ कई अन्य प्रणालियाँ विफल हो जाती हैं। इस स्थिरता ने उन्हें इलेक्ट्रॉन-स्पिन-इको एनवेलप मॉड्यूलेशन (electron-spin-echo envelope modulation) नामक एक विशिष्ट प्रकार का माप करने की अनुमति दी। इस प्रक्रिया में, अणु एक सेंसर के रूप में कार्य करता है, जो सूक्ष्म चुंबकीय उतार-चढ़ाव का पता लगाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इलेक्ट्रॉन स्पिन की बहु-स्तरीय प्रकृति का उपयोग करके, वे इस संकेत की स्पष्टता को बढ़ा सकते हैं, जिससे मानक विधियों की तुलना में सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात में 2.4 गुना सुधार हुआ।
इस अध्ययन की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि सेंसिंग (sensing) और स्टोरेज (storage) का एकीकरण थी। एक बार जब इलेक्ट्रॉन स्पिन ने चुंबकीय वातावरण को महसूस कर लिया, तो शोधकर्ताओं ने उस सूचना को फास्फोरस नाभिक में स्थानांतरित कर दिया। यह स्थानांतरण अत्यंत महत्वपूर्ण था क्योंकि इलेक्ट्रॉन स्पिन तेज़ लेकिन क्षणिक है, जबकि परमाणु स्पिन धीमा लेकिन स्थायी है। इलेक्ट्रॉन से नाभिक में क्वांटम सूचना को स्थानांतरित करके, उन्होंने डेटा को तब भी संरक्षित किया जब इलेक्ट्रॉन अपनी सुसंगतता खो चुका था। उन्होंने नाभिक में संग्रहीत सूचना के समय को मापा और पाया कि यह 20.8 मिलीसेकंड है। यह अवधि उस समय से लगभग 1,300 गुना अधिक लंबी है जो इलेक्ट्रॉन स्पिन अकेले सूचना को बनाए रख सकता था। यह परिणाम सिद्ध करता है कि एक एकल अणु एक पूर्ण क्वांटम रजिस्टर के रूप में कार्य कर सकता है, जो दुनिया को महसूस करने और उस परस्पर क्रिया की स्मृति को अपने भीतर संग्रहीत करने में सक्षम है।
यह कार्य एक नए बेंचमार्क स्थापित करता है। एक ही रासायनिक रूप से इंजीनियर किए गए अणु में एक उच्च-स्पिन इलेक्ट्रॉन को परमाणु स्पिन के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा बहुमुखी मंच बनाया है जो दोनों के सर्वोत्तम गुणों को एकजुट करता है। इन अणुओं को सुरक्षित रूप से और बड़ी मात्रा में संश्लेषित करने की क्षमता भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए द्वार खोलती है। सेंसिंग संवेदनशीलता को बढ़ाने और स्टोरेज समय को बढ़ाने की अणु की क्षमता यह सुझाव देती है कि ऐसे हाइब्रिड सिस्टम भविष्य की क्वांटम तकनीकों में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि आणविक चुंबकों की पूर्ण क्षमता उनके तीव्र सेंसिंग और दीर्घकालिक स्मृति के बीच के अंतर को पाटने की क्षमता में निहित है, और वह भी एक ही, सूक्ष्म संरचना के भीतर।
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