क्या होगा अगर बड़े तार ज़्यादा फोटॉन पकड़ लें? NIST के 100 गुना चौड़े SNSPD क्वांटम डिटेक्शन को नया रूप दे रहे हैं

बोल्डर, कोलोराडो। हर पल ब्रह्मांड हमारी तरफ फोटॉनों की बाढ़ भेजता है। प्रकाश के ये छोटे क्वांटम पैकेट हर जगह होते हैं, और ज़्यादातर बिना कोई निशान छोड़े गुज़र जाते हैं। क्वांटम कंप्यूटिंग, गहरे ऊतक इमेजिंग और गहरे अंतरिक्ष संचार पर काम करने वाले शोधकर्ताओं के लिए एक भी फोटॉन को पकड़ना बड़ी प्रगति और छूटे हुए अवसर के बीच का अंतर हो सकता है। सिंगल फोटॉन डिटेक्टर अब तक बनाए गए सबसे संवेदनशील उपकरणों में से हैं। सुपरकंडक्टिंग नैनोवायर सिंगल फोटॉन डिटेक्टर, यानी SNSPD, इस क्षेत्र में फिलहाल सबसे आगे हैं। ये सुपरकंडक्टिविटी पर निर्भर करते हैं, जो एक ऐसी अवस्था है जिसमें विद्युत धारा बिना प्रतिरोध के बहती है। जब कोई फोटॉन अल्ट्रा पतले सुपरकंडक्टिंग तार से टकराता है, तो वह एक छोटा हॉट स्पॉट बनाता है जो धारा को बाधित करता है और एक विद्युत पल्स उत्पन्न करता है। वह पल्स प्रकाश के एक कण का स्पष्ट संकेत होता है। NIST ने इन उपकरणों को लगातार बेहतर बनाया है, और आज ये लगभग 98 प्रतिशत आने वाले फोटॉनों को पकड़ सकते हैं। लंबे समय तक सबसे बड़ी बाधा आकार थी। एक मानक SNSPD में लगभग 100 नैनोमीटर चौड़ा तार होता है, जो मानव बाल की चौड़ाई का लगभग एक हजारवां हिस्सा है। तब की सोच सरल थी। एक फोटॉन की ऊर्जा को तार की पूरी चौड़ाई में सुपरकंडक्टिविटी को तोड़ना होता है। अगर तार ज़्यादा चौड़ा होता, तो फोटॉन का प्रभाव बहुत पतला फैल जाता और संकेत गायब हो जाता। इसी धारणा ने तारों के डिज़ाइन को नैनोस्केल तक सीमित रखा। नैनोस्केल तार काम करते हैं, लेकिन उनके साथ असली मुश्किलें भी आती हैं। इन्हें बनाने के लिए अत्यधिक विशेषज्ञता वाली फैब्रिकेशन विधियों की ज़रूरत होती है। इनमें बहने वाली धारा पूरी तरह एकसमान नहीं होती। छोटे दोषों की वजह से किनारों के पास चार्ज जमा हो जाता है, नदी में बनने वाले भँवरों की तरह। ये किनारे के प्रभाव झूठे संकेत पैदा करते हैं जिन्हें डार्क काउंट्स कहते हैं। ये ऑपरेटिंग करंट को भी सीमित करते हैं, इसलिए कम ऊर्जा वाले फोटॉनों को आखिर में बहुत हल्की पल्स मिलती है। यही वह पहेली थी जिसे NIST हल करना चाहता था। उनके नए डिज़ाइन में केंद्रीय तार के साथ दो सुपरकंडक्टिंग रेल इलेक्ट्रोड जोड़े गए हैं। ये रेलें एक ही दिशा में करंट ले जाती हैं। इनके चुंबकीय क्षेत्र मुख्य तार के क्षेत्र के साथ मिलकर काम करते हैं। यह संयुक्त क्षेत्र करंट के वितरण को संतुलित करता है और अवांछित किनारे के जमाव को रोकता है। अधिक समान प्रवाह के साथ, तार बहुत अधिक करंट संभाल सकता है। नतीजतन, फोटॉन के हॉट स्पॉट को बहुत बड़े क्षेत्र में पहचाना जा सकता है। डिटेक्टर सुपरकंडक्टिंग ट्रांज़िशन बिंदु के करीब भी काम कर सकता है। इसका मतलब है कि बहुत कम ऊर्जा वाले फोटॉन भी साफ और पढ़ने योग्य संकेत छोड़ते हैं। परिणाम पैमाने में एक बड़ी छलांग हैं। टीम ने एक मिलीमीटर के दसवें हिस्से तक चौड़े तार दिखाए। यह पारंपरिक SNSPD से 100 गुना से भी ज्यादा चौड़ा है। इससे भी बड़े तार संभव होने चाहिए। नया आर्किटेक्चर बनाने में भी आसान है। इससे बड़े डिटेक्टर कहीं ज़्यादा व्यावहारिक हो सकते हैं। यह चौड़ा वर्जन पोलराइज़ेशन के प्रति असंवेदनशील भी है। इसलिए यह काम करता है, चाहे फोटॉन का विद्युत क्षेत्र किसी भी दिशा में लहराए। सबसे हैरान करने वाले नतीजों में से एक डार्क काउंट्स में गिरावट है। टीम ने झूठे संकेतों में एक अरब गुना कमी दर्ज की, जो एक नया रिकॉर्ड है। NIST की पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता क्रिस्टन पारज़ुचोव्स्की ने लैब का वह पल याद किया। "हम अपने समूह के कुछ और लोगों को कमरे में बुला रहे थे और उनसे कह रहे थे, 'यह देखो, यह पागलपन है!'" संभावित उपयोग बहुत व्यापक हैं। बायोमेडिकल इमेजिंग में, डिफ्यूज़ कोरिलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी मानव ऊतकों से प्रकाश गुज़ारती है और रक्त प्रवाह मापने के लिए बिखरी हुई रोशनी का विश्लेषण करती है। अधिक कुशल फोटॉन कैप्चर इन मापों को तेज और अधिक भरोसेमंद बना सकता है। खगोल विज्ञान में, दूर की आकाशगंगाओं का अध्ययन करने और डार्क मैटर की खोज के लिए हम हल्की कम ऊर्जा वाली रोशनी का इस्तेमाल करते हैं। क्वांटम नेटवर्क और गहरे अंतरिक्ष संचार में, हर फोटॉन जानकारी ले जा सकता है। इसलिए अधिक फोटॉन पकड़ने का मतलब है अधिक मजबूत और साफ संकेत। इन बड़े आकार के डिटेक्टरों को बेहतरीन नैनोस्केल वर्जन की 98 प्रतिशत दक्षता हासिल करने के लिए अभी और परीक्षण बाकी है। नया काम पहले ही एक अहम बात साबित कर चुका है। सुपरकंडक्टिंग तारों को सामग्री की अपनी सीमा तक पहुंचने के लिए बारीक होना जरूरी नहीं है। NIST ने फोटॉन डिटेक्टरों की एक नई पीढ़ी का रास्ता दिखाया है। ये डिटेक्टर बनाने में आसान हैं, बेहद शांत हैं, और ब्रह्मांड हमारी तरफ भेजने वाले लगभग हर हल्के फोटॉन को पकड़ने के लिए तैयार हैं।