क्वांटम भौतिक वैज्ञानिकों ने खोजा कि रोशनी और चुंबकत्व एटम-पतली सामग्री में साथी बन सकते हैं

न्यूयॉर्क के सिटी कॉलेज के शोधकर्ताओं ने उस बात की पुष्टि की है जो क्वांटम भौतिकी के बुखारी सपने जैसी लगती है: कुछ एटम मोटी सामग्रियों में, रोशनी, बिजली का चार्ज और चुंबकत्व एक पार्टी में अजीब अजनबियों की तरह व्यवहार करना बंद कर देते हैं और करीबी दोस्तों की तरह पेश आने लगते हैं। भौतिक विज्ञानी विनोद एम. मेनन की प्रयोगशाला फॉर नैनो एंड माइक्रो फोटोनिक्स (LaNMP) क्वांटम विज्ञान के इस तेजी से बढ़ते क्षेत्र का मानचित्रण कर रही है, और वे ऐसा सिर्फ शैक्षणिक रोमांच के लिए नहीं कर रहे हैं। उनका मानना है कि ये असामान्य अंतःक्रियाएं अंततः उन्नत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और क्वांटम प्रौद्योगिकियों को शक्ति प्रदान कर सकती हैं जो रोशनी, चार्ज और इलेक्ट्रॉन स्पिन को एक साथ नियंत्रित करती हैं - क्योंकि एक समय में सिर्फ एक चीज को नियंत्रित करने से संतोष क्यों करें?

नेचर मटेरियल्स में प्रकाशित एक समीक्षा में, जिसका शीर्षक है "वैन डेर वाल्स चुंबकीय सामग्रियों में एक्साइटॉन", टीम स्तरित चुंबकीय अर्धचालकों से जुड़ी हालिया प्रगति की जांच करती है। ये सामग्रियां प्रकाश-जनित उत्तेजनाओं को, जिन्हें एक्साइटॉन कहा जाता है, चुंबकीय क्रम और चुंबकीय तरंगों (जिन्हें मैग्नॉन कहा जाता है) के साथ अंतःक्रिया करने की अनुमति देती हैं। एक एक्साइटॉन, उन लोगों के लिए जो क्वांटम में पारंगत नहीं हैं, तब बनता है जब आने वाली रोशनी एक इलेक्ट्रॉन को ऊर्जा देती है, जिससे वह चलता है और एक सकारात्मक चार्ज वाला "छेद" छोड़ जाता है। इलेक्ट्रॉन और छेद जुड़े रहते हैं, एक विद्युत रूप से तटस्थ कण बनाते हैं जो अभी भी रोशनी के साथ मजबूती से अंतःक्रिया कर सकता है। दूसरी ओर, मैग्नॉन, सामूहिक तरंगें हैं जो किसी सामग्री की संगठित चुंबकीय संरचना के माध्यम से यात्रा करती हैं - उन्हें चुंबकीय दुनिया की समुद्री लहरों के रूप में सोचें।

वैज्ञानिकों ने वर्षों से एक्साइटॉन-समृद्ध अर्धचालकों के ऑप्टिकल गुणों को चुंबकत्व के साथ जोड़ने की कोशिश की है। पहले की रणनीतियों में अर्धचालकों में चुंबकीय परमाणु जोड़ना या चुंबकीय सामग्रियों के ऊपर एटम-पतले अर्धचालकों को स्टैक करना शामिल था - मूल रूप से दोस्ती थोपने की कोशिश। वैन डेर वाल्स चुंबकीय अर्धचालक एक अधिक सीधा दृष्टिकोण प्रदान करते हैं: इन क्रिस्टलों के भीतर, एक्साइटॉन और चुंबकीय क्षण एक ही इलेक्ट्रॉनिक ऑर्बिटल से उभर सकते हैं। यह साझा उत्पत्ति रोशनी और चुंबकत्व को सामग्री के अंदर ही एक-दूसरे को प्रभावित करने की अनुमति देती है। "इन सामग्रियों में, रोशनी और चुंबकत्व अब अलग-अलग चैनलों के रूप में काम नहीं करते," मेनन के समूह में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता और समीक्षा के प्रमुख लेखक प्रताप चंद्र आदक ने कहा। "एक एक्साइटॉन सिर्फ चुंबकत्व के ऊपर बैठा एक निष्क्रिय प्रकाश-चालित उत्तेजना नहीं है। यह स्पिन ऑर्डर और मैग्नॉन को महसूस कर सकता है, और सही परिस्थितियों में, चुंबकीय स्थिति को नियंत्रित करने में भी मदद कर सकता है।"

समीक्षा कई महत्वपूर्ण सामग्री प्लेटफार्मों की जांच करती है, जिनमें क्रोमियम ट्राइआयोडाइड, निकल फॉस्फोरस ट्राइसल्फाइड और क्रोमियम सल्फर ब्रोमाइड शामिल हैं। इन द्वि-आयामी चुंबकों पर शोध ने कई तरीकों का खुलासा किया है जिनसे एक्साइटॉन और चुंबकीय व्यवहार एक-दूसरे को प्रभावित कर सकते हैं। एक्साइटॉन चुंबक-ऑप्टिकल प्रभावों को काफी मजबूत कर सकते हैं, जिससे वैज्ञानिक प्रकाश के ध्रुवीकरण में परिवर्तन देखकर चुंबकीय अवस्थाओं की पहचान कर सकते हैं। चुंबकीय क्रम एक्साइटॉन की ऊर्जा को बदल सकता है और यह प्रभावित कर सकता है कि वे सामग्री के भीतर कहाँ सीमित हैं। एक्साइटॉन और मैग्नॉन के बीच अंतःक्रियाएं ऑप्टिकल संकेतों को गीगाहर्ट्ज़ आवृत्तियों पर होने वाली चुंबकीय गतिविधि से जोड़ सकती हैं। शोधकर्ता एक्साइटॉन पोलारिटॉन पर भी चर्चा करते हैं, जो प्रकाश और पदार्थ के गुणों को मिलाने वाले संकर कण हैं और एक सामग्री के माध्यम से ऑप्टिकल जानकारी का परिवहन कर सकते हैं - क्योंकि प्रकृति ने स्पष्ट रूप से तय किया कि फोटॉन और इलेक्ट्रॉन पर्याप्त नहीं थे।

"पिछले कुछ वर्षों में, यह क्षेत्र एटम-पतले क्रिस्टल में चुंबकत्व का पता लगाने से आगे बढ़कर सक्रिय रूप से यह पता लगाने लगा है कि चुंबकीय क्रम प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रियाओं को कैसे नियंत्रित कर सकता है," भौतिकी के प्रोफेसर और समीक्षा के वरिष्ठ लेखक मेनन ने कहा। "इस लेख का उद्देश्य उन विकासों को एक सुसंगत ढांचे में लाना और यह पहचानना है कि क्षेत्र आगे कहाँ जा सकता है।" शोधकर्ता कई संभावित अनुप्रयोगों की पहचान करते हैं जो अत्यंत छोटे पैमाने पर प्रकाश और चुंबकत्व के सटीक नियंत्रण पर निर्भर होंगे। इनमें चुंबक-फोटोनिक मेमोरी और डेटा रीडआउट, ऑल-ऑप्टिकल लॉजिक, समायोज्य प्रकाश उत्सर्जक उपकरण, और क्वांटम ट्रांसड्यूसर शामिल हैं जो क्वांटम सूचना को प्रकाश और स्पिन के बीच परिवर्तित करते हैं।