एक हीरे की कल्पना करो.
आपने शायद आभूषणों में उपयोग किए जाने वाले एक स्पष्ट और दोषरहित रत्न के बारे में सोचा होगा। लेकिन एक भौतिक विज्ञानी के लिए, एक आदर्श हीरा वास्तव में काफी उबाऊ हो सकता है। जब हीरा होता है तो कुछ जादुई होता है बस थोड़ा सा टूटा हुआ है.
दशकों से, वैज्ञानिक हीरे के क्रिस्टल जाली में एक विशेष प्रकार के दोष से आकर्षित हुए हैं जिसे नाइट्रोजन-रिक्ति (एनवी) केंद्र कहा जाता है। सभी हीरे कार्बन परमाणुओं की एक कठोर ग्रिड से बने होते हैं। एनवी केंद्र तब होता है जब एक कार्बन परमाणु को नाइट्रोजन परमाणु द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, और उसके बगल का स्थान खाली छोड़ दिया जाता है।
यह प्रतीत होने वाला दोष हीरे को क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए एक बिजलीघर में बदल देता है।
चुंबकीय तीर
एनवी केंद्र को अक्सर ‘पूर्ण दोष’ कहा जाता है क्योंकि यह एक ठोस पिंजरे में फंसे एकल परमाणु की तरह व्यवहार करता है। यह संरचना इसे कुछ उल्लेखनीय क्षमताएं प्रदान करती है जो कंप्यूटर और सेंसर के बारे में हमारी सोच को बदलने की काफी क्षमता रखती है।
एनवी केंद्र में स्पिन नामक एक संपत्ति है। इसे एक छोटा चुंबकीय तीर समझें। क्योंकि एनवी केंद्र हीरे की संरचना के अंदर फंसा हुआ है, यह उस शोर से सुरक्षित है जो अन्यथा इसके घूमने में बाधा डालेगा। इससे स्पिन को लंबे समय तक सुसंगत, या क्वांटममी बने रहने में मदद मिलती है।
यह उपयोगी है क्योंकि वैज्ञानिक तब माप सकते हैं कि स्पिन की आंतरिक ऊर्जा का स्तर पर्यावरण पर कैसे प्रतिक्रिया करता है, जिसमें बहुत कमजोर चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र भी शामिल हैं।
यही कारण है कि एनवी केंद्र दुनिया के सबसे छोटे और सबसे सटीक सेंसरों में से कुछ हैं। और वैज्ञानिक उनका उपयोग मस्तिष्क गतिविधि से जुड़े चुंबकीय क्षेत्रों का मानचित्रण करने और धातुओं में सूक्ष्म दरारों का पता लगाने के लिए कर रहे हैं।
अधिकांश क्वांटम प्रयोगों के लिए परमाणुओं को पूर्ण शून्य (-273 ºC) के करीब ठंडा करने के लिए बड़े, भारी और महंगे रेफ्रिजरेटर की आवश्यकता होती है। यदि कोई वातावरण बहुत अधिक गर्म हो जाता है, तो क्वांटम प्रभाव एक अराजक गड़बड़ी में गायब हो जाते हैं क्योंकि वे ऊर्जा की भटकती मात्रा के प्रति संवेदनशील होते हैं।
लेकिन एनवी केंद्र विशेष हैं क्योंकि उनका कठोर हीरे का पिंजरा उनकी रक्षा करता है। वे कमरे के तापमान पर भी अपनी क्वांटम अवस्था को बनाए रख सकते हैं। यह उन्हें वास्तविक दुनिया के उपकरणों के लिए अधिक व्यावहारिक बनाता है, जैसे पोर्टेबल मेडिकल स्कैनर और नेविगेशन सिस्टम जिन्हें जीपीएस की आवश्यकता नहीं होती है।
खरबों केंद्र
एनवी केंद्र की सबसे उपयोगी विशेषताओं में से एक यह है कि यह प्रकाश के साथ कैसे संपर्क करता है।
यदि आप उस पर हरा लेजर चमकाते हैं, तो केंद्र लाल रंग में चमकेगा। लाल चमक की चमक उसके घूमने की स्थिति के आधार पर बदल जाएगी। यह वैज्ञानिकों को हीरे में संग्रहीत क्वांटम जानकारी को केवल यह देखकर ‘पढ़ने’ की अनुमति देता है कि यह कितना प्रकाश उत्सर्जित करता है। यह क्वांटम यांत्रिकी की अदृश्य दुनिया और उस दृश्य दुनिया के बीच एक पुल है जिसमें हम रहते हैं।
हालाँकि एनवी केंद्र अपने आप में अद्भुत हैं, लेकिन जब आप उनमें से लाखों को एक साथ इकट्ठा करते हैं तो मामला जटिल हो जाता है। आमतौर पर, जब ये क्वांटम स्पिन एक-दूसरे के बहुत करीब होते हैं, तो वे अव्यवस्थित तरीके से बातचीत करना शुरू कर देते हैं। वे एक-दूसरे को धक्का देते हैं और खींचते हैं, जिससे शोर पैदा होता है जो क्वांटम सिग्नल को नष्ट कर देता है। इसे आम तौर पर ठीक की जाने वाली समस्या के रूप में देखा जाता है।
हालाँकि, एक अध्ययन में प्रकाशित हुआ प्रकृति भौतिकी 2 जनवरी को इस समस्या पर पानी फिर गया। ऑस्ट्रिया और जापान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने माइक्रोवेव प्रकाश की एक शक्तिशाली और निरंतर किरण बनाने के लिए इन गड़बड़ इंटरैक्शन का उपयोग करने का एक तरीका बताया है।
एक हीरा मेसर
शोधकर्ताओं ने लगभग 9 ट्रिलियन एनवी केंद्रों से भरा एक हीरा लिया और इसे एक सुपरकंडक्टिंग माइक्रोवेव कैविटी के अंदर रखा – एक उपकरण जो माइक्रोवेव को फंसाता है ताकि वे आगे और पीछे उछल सकें और एक कमरे में गूंजने वाली ध्वनि की तरह निर्माण कर सकें।
फिर उन्होंने एनवी केंद्रों की स्पिन को सक्रिय करने या उलटने के लिए माइक्रोवेव पल्स का उपयोग किया। एक मानक प्रयोग में, एनवी केंद्र इस ऊर्जा को सुपररेडियंस नामक माइक्रोवेव प्रकाश के त्वरित, उज्ज्वल विस्फोट के रूप में जारी करेंगे और फिर बंद कर देंगे।
हालाँकि, प्रारंभिक विस्फोट के बाद, सिस्टम प्रयोग में बंद नहीं हुआ। इसके बजाय, यह फिर से स्पंदित होने लगा, अंततः एक मिलीसेकंड तक माइक्रोवेव प्रकाश के निरंतर, स्थिर उत्सर्जन में स्थिर हो गया। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, एक मिलीसेकंड बहुत लंबा समय है।
टीम ने प्रभावी ढंग से एक मेज़र बनाया था। आपने शायद लेज़र के बारे में सुना होगा, जिसका संक्षिप्त रूप ‘विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन’ है। मेज़र एक ही चीज़ है लेकिन दृश्य प्रकाश के बजाय माइक्रोवेव विकिरण के लिए।
बकेट ब्रिगेड
शोधकर्ताओं ने पाया कि जिस चीज को आमतौर पर उपद्रव माना जाता है, स्पिन के बीच की बातचीत, वास्तव में इस मास्टर को शक्ति प्रदान कर रही थी।
ओकिनावा इंस्टीट्यूट के सेंटर फॉर क्वांटम टेक्नोलॉजीज के निदेशक और अध्ययन के सहलेखक के नेमोटो ने एक बयान में कहा, “यह खोज क्वांटम दुनिया के बारे में हमारे सोचने के तरीके को बदल देती है।” “हमने दिखाया है कि जिन अंतःक्रियाओं को एक बार क्वांटम व्यवहार को बाधित करने के लिए सोचा गया था, उनका उपयोग इसे बनाने के लिए किया जा सकता है। यह बदलाव क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए पूरी तरह से नई दिशाएँ खोलता है।”
जब एनवी केंद्रों के पहले समूह ने अपनी ऊर्जा गुहा में छोड़ी, तो वे उत्तेजित या थके हुए हो गए। आमतौर पर, वह शो का अंत होगा। लेकिन क्योंकि हीरा इतना घना था, ये थके हुए चक्कर अन्य ऊर्जावान चक्करों से घिरे हुए थे जो गुहा की आवृत्ति के अनुरूप नहीं थे।
चुंबकीय द्विध्रुव-द्विध्रुव अंतःक्रियाओं के माध्यम से, अनिवार्य रूप से चुंबक चुंबक पर दबाव डालते हैं, ऊर्जावान स्पिन ने अपनी ऊर्जा को थके हुए स्पिन में स्थानांतरित कर दिया। इस प्रक्रिया ने पहले विस्फोट से बचे ऊर्जा छिद्र को फिर से भर दिया।
यह बकेट ब्रिगेड अग्निशमन तकनीक की तरह थी, जहां पड़ोसी स्पिन अपनी ऊर्जा को स्पिन को सौंप देते थे जो इसे प्रकाश के रूप में जारी कर सकते थे।
संभावित लाभ
इस खोज से बहुत संकीर्ण लाइनविड्थ के साथ अत्यधिक स्थिर सुपररेडियंट मैसर्स का विकास हो सकता है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की आवृत्ति बेहद शुद्ध है।
विएना सेंटर फॉर क्वांटम साइंस एंड टेक्नोलॉजी, टीयू विएन के जोर्ग श्मीडमेयर और अध्ययन के सह-लेखक ने विज्ञप्ति में कहा, “जिन सिद्धांतों का हम यहां पालन करते हैं, वे चुंबकीय या विद्युत क्षेत्रों में सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने में सक्षम क्वांटम सेंसर को भी बढ़ा सकते हैं।”
“इस तरह की प्रगति से चिकित्सा इमेजिंग, सामग्री विज्ञान और पर्यावरण निगरानी को लाभ हो सकता है।”
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