کیا ہو اگر بڑی تاریں زیادہ فوٹون پکڑ لیں؟ NIST کے 100 گنا چوڑے SNSPDs کوانٹم ڈیٹیکشن کو بدل رہے ہیں

باولڈر، کولوراڈو، ذریعہ: ہر لمحہ کائنات ہماری طرف فوٹون کا سیلاب بھیجتی ہے۔ روشنی کے یہ چھوٹے کوانٹم پیکٹ ہر جگہ موجود ہیں، اور زیادہ تر بغیر کوئی نشان چھوڑے گزر جاتے ہیں۔ کوانٹم کمپیوٹنگ، گہرے ٹشو امیجنگ اور گہری خلائی مواصلات پر کام کرنے والے محققین کے لیے، ان میں سے ایک کو پکڑنا ایک بڑے قدم اور کھوئے ہوئے موقع کے درمیان فرق پیدا کر سکتا ہے۔

سنگل فوٹون ڈیٹیکٹر ان حساس ترین آلات میں سے ہیں جو کبھی بنائے گئے ہیں۔ سپر کنڈکٹنگ نینو وائر سنگل فوٹون ڈیٹیکٹر، یا SNSPDs، اس میدان میں اس وقت سب سے آگے ہیں۔ وہ سپر کنڈکٹیویٹی پر انحصار کرتے ہیں، یہ ایک ایسی حالت ہے جس میں برقی رو بغیر مزاحمت کے بہتی ہے۔ جب کوئی فوٹون انتہائی پتلی سپر کنڈکٹنگ تار سے ٹکراتا ہے، تو یہ ایک چھوٹا سا گرم مقام پیدا کرتا ہے جو رو میں خلل ڈالتا ہے اور برقی نبض متحرک کرتا ہے۔ وہ نبض روشنی کے ایک ذرے کا غیر مبہم دستخط ہوتی ہے۔ NIST نے ان آلات کو مسلسل بہتر کیا ہے، اور آج یہ آنے والے تقریباً 98 فیصد فوٹون پکڑ سکتے ہیں۔

ایک طویل عرصے تک، سب سے بڑی رکاوٹ سائز تھی۔ ایک معیاری SNSPD میں تقریباً 100 نینو میٹر چوڑی تار استعمال ہوتی ہے، جو انسانی بال کی چوڑائی کے تقریباً ایک ہزارویں حصے کے برابر ہے۔ اس وقت کی عام منطق سادہ تھی کہ فوٹون کی توانائی کو تار کی پوری چوڑائی میں سپر کنڈکٹیویٹی توڑنی پڑتی ہے۔ اگر تار زیادہ چوڑی ہوتی، تو فوٹون کے اثر کا پھیلاؤ بہت پتلا پڑ جاتا اور سگنل غائب ہو جاتا۔ اس خیال نے تاروں کے ڈیزائن کو نینو اسکیل تک محدود رکھا۔

نینو اسکیل تاریں کام کرتی ہیں، لیکن ان کے ساتھ حقیقی پیچیدگیاں بھی آتی ہیں۔ انہیں بہت خاص قسم کی تیاری کے طریقوں کی ضرورت ہوتی ہے۔ ان میں بہنے والی رو بالکل یکساں نہیں ہوتی، کیونکہ چھوٹے نقائص کناروں کے قریب چارج جمع کر دیتے ہیں، جیسے دریا میں بھنور بنتے ہیں۔ یہ کناروں کے اثرات جھوٹے سگنل پیدا کرتے ہیں جنہیں ڈارک کاؤنٹس کہتے ہیں۔ وہ آپریٹنگ کرنٹ کو بھی محدود کرتے ہیں، اس لیے کم توانائی والے فوٹون صرف ایک ہلکی سی نبض دے پاتے ہیں۔ یہی وہ معمہ تھا جسے NIST حل کرنا چاہتا تھا۔

ان کے نئے ڈیزائن میں مرکزی تار کے ساتھ دو سپر کنڈکٹنگ ریل الیکٹروڈ شامل کیے گئے ہیں۔ ریلز ایک ہی سمت میں رو لے جاتی ہیں، اور ان کے مقناطیسی میدان مرکزی تار کے میدان کے ساتھ مل کر کام کرتے ہیں۔ یہ مشترکہ میدان رو کی تقسیم کو ہموار کرتا ہے اور ناپسندیدہ کنارے کے جمع ہونے کو روکتا ہے۔ زیادہ یکساں بہاؤ کے ساتھ، تار بہت زیادہ کرنٹ سنبھال سکتی ہے۔ نتیجتاً، فوٹون کا گرم مقام بہت بڑے رقبے پر ڈیٹیکٹ کیا جا سکتا ہے۔ ڈیٹیکٹر سپر کنڈکٹنگ ٹرانزیشن پوائنٹ کے قریب بھی کام کر سکتا ہے، یعنی انتہائی کم توانائی والے فوٹون بھی ایک واضح پڑھنے کے قابل سگنل چھوڑتے ہیں۔

نتائج پیمانے میں ایک بڑی چھلانگ ہیں۔ ٹیم نے ایک ملی میٹر کے دسویں حصے تک چوڑی تاریں پیش کیں، جو روایتی SNSPDs سے 100 گنا سے بھی زیادہ چوڑی ہیں۔ اس سے بھی بڑی تاریں ممکن ہونی چاہئیں۔ نیا فن تعمیر تیار کرنا بھی آسان ہے، جو بڑے ڈیٹیکٹرز کو کہیں زیادہ عملی بنا سکتا ہے۔ اور یہ چوڑا ورژن پولرائزیشن کے لیے غیر حساس ہے، اس لیے یہ اس بات سے قطع نظر کام کرتا ہے کہ فوٹون کا برقی میدان کس سمت ہلتا ہے۔

سب سے حیران کن نتائج میں سے ایک ڈارک کاؤنٹس میں کمی ہے۔ ٹیم نے جھوٹے سگنلز میں ایک ارب گنا کمی ریکارڈ کی، جو ایک نیا ریکارڈ ہے۔ NIST کی پوسٹ ڈاکٹرل محقق کرسٹن پارزوچوسکی لیب میں اس لمحے کو یاد کرتی ہیں۔ 'ہم اپنے گروپ کے کچھ اور لوگوں کو کمرے میں بلا رہے تھے اور ان سے کہہ رہے تھے، "دیکھو یہ، یہ پاگل پن ہے!"'

ممکنہ استعمالات کی گنجائش بہت وسیع ہے۔ بایومیڈیکل امیجنگ میں، ڈفیوز کوریلیشن سپیکٹروسکوپی انسانی بافتوں کے ذریعے روشنی بھیجتی ہے اور خون کے بہاؤ کی پیمائش کے لیے بکھری ہوئی روشنی کا تجزیہ کرتی ہے۔ فوٹون کو زیادہ مؤثر طریقے سے پکڑنا ان ریڈنگز کو تیز اور زیادہ قابل اعتماد بنا سکتا ہے۔ فلکیات میں، مدھم کم توانائی والی روشنی ہی وہ ذریعہ ہے جس سے ہم دور دراز کہکشاؤں کا مطالعہ کرتے ہیں اور ڈارک مادے کی تلاش کرتے ہیں۔ کوانٹم نیٹ ورکس اور گہری خلائی مواصلات میں، ہر فوٹون معلومات لے جا سکتا ہے، اس لیے ان میں سے زیادہ پکڑنے کا مطلب مضبوط اور صاف سگنل ہیں۔

ان بڑے سائز کے ڈیٹیکٹرز کو بہترین نینو اسکیل ورژن کی 98 فیصد کارکردگی حاصل کرنے سے پہلے مزید جانچ باقی ہے۔ نیا کام ایک اہم نکتہ ثابت کر چکا ہے کہ سپر کنڈکٹنگ تاروں کو مادی حدود تک پہنچنے کے لیے ننھا ہونا ضروری نہیں۔ NIST نے فوٹون ڈیٹیکٹرز کی ایک نئی نسل کا راستہ دکھایا ہے جو بنانے میں آسان، غیر معمولی طور پر خاموش اور کائنات کی طرف سے بھیجے جانے والے تقریباً ہر مدھم فوٹون کو پکڑنے کے لیے تیار ہیں۔