भौतिकविदों ने उन अजीब तरीकों को मापने और समझने में एक शताब्दी से अधिक समय बिताया है जिनसे फोटॉन, इलेक्ट्रॉन और अन्य उप-परमाणु कण अत्यंत छोटे पैमाने पर परस्पर क्रिया करते हैं। नई प्रौद्योगिकियों को बनाने के लिए इन घटनाओं का लाभ कैसे उठाया जाए, यह पता लगाने में इंजीनियरों ने दशकों बिताए हैं।
ऐसी ही एक घटना में, जिसे क्वांटम उलझाव कहा जाता है, फोटॉन के जोड़े इस तरह से आपस में जुड़ जाते हैं कि एक फोटॉन की स्थिति तुरंत उसके युग्मित फोटॉन की स्थिति से मेल खाने के लिए बदल जाती है, चाहे वे कितने भी दूर क्यों न हों।
लगभग 80 साल पहले, अल्बर्ट आइंस्टीन ने इस घटना को “दूर से होने वाली डरावनी कार्रवाई” कहा था। आज, उलझाव दुनिया भर में अनुसंधान कार्यक्रमों का विषय है – और यह क्वांटम जानकारी के सबसे मौलिक रूप, क्वैबिट को लागू करने का एक पसंदीदा तरीका बनता जा रहा है।
वर्तमान में, फोटॉन जोड़े बनाने के सबसे प्रभावी तरीके के लिए माइक्रोस्कोप के बिना देखने के लिए पर्याप्त बड़े क्रिस्टल के माध्यम से प्रकाश तरंगें भेजने की आवश्यकता होती है। नेचर फोटोनिक्स में आज प्रकाशित एक पेपर में, कोलंबिया इंजीनियरिंग शोधकर्ताओं और सहयोगियों के नेतृत्व वाली एक टीम ने इन फोटॉन जोड़े को बनाने के लिए एक नई विधि का वर्णन किया है जो कम ऊर्जा का उपयोग करके बहुत छोटे डिवाइस पर उच्च प्रदर्शन प्राप्त करता है। कोलंबिया इंजीनियरिंग में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के एसोसिएट प्रोफेसर पी. जेम्स शुक ने अनुसंधान टीम का नेतृत्व करने में मदद की।
ये निष्कर्ष नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो लेजर, दूरसंचार और प्रयोगशाला उपकरणों सहित अनुप्रयोगों के लिए प्रकाश के गुणों को बदलने के लिए प्रौद्योगिकियों का उपयोग करने से संबंधित है।
क्वांटम विज्ञान और प्रौद्योगिकी में कोलंबिया के एमएस के सह-निर्देशक शुक कहते हैं, “यह काम मैक्रोस्कोपिक और माइक्रोस्कोपिक नॉनलाइनियर और क्वांटम ऑप्टिक्स को पाटने के लंबे समय से मांगे गए लक्ष्य के अवतार का प्रतिनिधित्व करता है।” “यह स्केलेबल, अत्यधिक कुशल ऑन-चिप इंटीग्रेबल डिवाइस जैसे ट्यून करने योग्य सूक्ष्म उलझे-फोटॉन-जोड़ी जनरेटर के लिए आधार प्रदान करता है।”
यह काम किस प्रकार करता है
केवल 3.4 माइक्रोमीटर मोटाई वाला नया उपकरण भविष्य की ओर इशारा करता है जहां कई क्वांटम प्रणालियों का यह महत्वपूर्ण घटक एक सिलिकॉन चिप पर फिट हो सकता है। यह परिवर्तन क्वांटम उपकरणों की ऊर्जा दक्षता और समग्र तकनीकी क्षमताओं में महत्वपूर्ण लाभ प्राप्त करने में सक्षम होगा।
उपकरण बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड नामक तथाकथित वैन डेर वाल्स अर्धचालक संक्रमण धातु के पतले क्रिस्टल का उपयोग किया। फिर उन्होंने इनमें से छह क्रिस्टल टुकड़ों को एक ढेर में रख दिया, प्रत्येक टुकड़े को ऊपर और नीचे क्रिस्टल स्लैब के सापेक्ष 180 डिग्री घुमाया गया। जैसे ही प्रकाश इस स्टैक के माध्यम से यात्रा करता है, अर्ध-चरण-मिलान नामक एक घटना प्रकाश के गुणों में हेरफेर करती है, जिससे युग्मित फोटॉन का निर्माण संभव होता है।
यह पेपर पहली बार दर्शाता है कि किसी भी वैन डेर वाल्स सामग्री में अर्ध-चरण-मिलान का उपयोग तरंग दैर्ध्य पर फोटॉन जोड़े उत्पन्न करने के लिए किया गया है जो दूरसंचार के लिए उपयोगी हैं। यह तकनीक पिछले तरीकों की तुलना में काफी अधिक कुशल है और त्रुटि की संभावना बहुत कम है।
शुक कहते हैं, “हमारा मानना है कि यह सफलता वैन डेर वाल्स सामग्रियों को अगली पीढ़ी के नॉनलाइनियर और क्वांटम फोटोनिक आर्किटेक्चर के मूल के रूप में स्थापित करेगी, साथ ही वे सभी भविष्य की ऑन-चिप प्रौद्योगिकियों को सक्षम करने और वर्तमान थोक और समय-समय पर पोल किए गए क्रिस्टल को बदलने के लिए आदर्श उम्मीदवार होंगे।”
“इन नवाचारों का उपग्रह-आधारित वितरण और मोबाइल फोन क्वांटम संचार सहित विभिन्न क्षेत्रों में तत्काल प्रभाव पड़ेगा।”
ये कैसे हुआ
शुक और उनकी टीम ने नया उपकरण विकसित करने के लिए अपने पिछले काम को आगे बढ़ाया। 2022 में, समूह ने प्रदर्शित किया कि मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड जैसी सामग्रियों में नॉनलाइनियर ऑप्टिक्स के लिए उपयोगी गुण होते हैं – लेकिन इस सामग्री के माध्यम से यात्रा करते समय प्रकाश तरंगों की एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने की प्रवृत्ति के कारण प्रदर्शन सीमित था।
टीम ने इस समस्या का प्रतिकार करने के लिए आवधिक पोलिंग नामक एक तकनीक की ओर रुख किया, जिसे चरण मिलान के रूप में जाना जाता है। स्टैक में स्लैब की दिशा को वैकल्पिक करके, डिवाइस प्रकाश को इस तरह से हेरफेर करता है जो छोटी लंबाई के पैमाने पर फोटॉन जोड़ी पीढ़ी को सक्षम बनाता है।
शुक कहते हैं, “एक बार जब हम समझ गए कि यह सामग्री कितनी अद्भुत है, तो हमें पता था कि हमें समय-समय पर पोलिंग करनी होगी, जो फोटॉन जोड़े की अत्यधिक कुशल पीढ़ी की अनुमति दे सकती है।”
क्वांटम सामग्रियों को समझने और उनका दोहन करने के एक बड़े प्रयास के हिस्से के रूप में, यह काम कोलंबिया में ऊर्जा विभाग के ऊर्जा सीमांत अनुसंधान केंद्र (ईएफआरसी) के प्रोग्रामेबल क्वांटम मैटेरियल्स के भीतर हुआ। यह कार्य बासो, डेलोर और डीन प्रयोगशालाओं के योगदान के कारण संभव हो सका। पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता चियारा ट्रोवाटेलो ने इस प्रयास का नेतृत्व किया।
