रोजमर्रा के जीवन में लोग जिन अधिकांश चुम्बकों का उपयोग करते हैं, वे साधारण दो-ध्रुवीय होते हैं: एक उत्तरी और एक दक्षिणी, एक धनात्मक और एक ऋणात्मक। यह परिचित व्यवस्था, जिसे द्विध्रुव कहा जाता है, रेफ्रिजरेटर चुम्बकों से लेकर हार्ड ड्राइव के भीतर पठन हेड तक सब कुछ का आधार है। लेकिन जैसे-जैसे क्वांटम यांत्रिकी परिपक्व हुई है, शोधकर्ताओं ने पाया है कि कुछ क्रिस्टलीय पदार्थों के भीतर चुंबकत्व बहुत विचित्र रूप ले सकता है, जिसमें एक "ऑक्टुपोलर ऑर्डर" भी शामिल है, जिसमें कणों का जालक सामूहिक रूप से ऐसा व्यवहार करता है मानो उसमें सामान्य दो के बजाय आठ चुंबकीय ध्रुव हों।
इन उच्च-कोटि की चुंबकीय अवस्थाओं के साथ कठिनाई यह है कि इन्हें देखना असाधारण रूप से कठिन होता है। इनका शुद्ध चुंबकीय आघूर्ण अक्सर रद्द हो जाता है, जिससे पारंपरिक प्रयोगात्मक उपकरण उस व्यवस्था के प्रति प्रभावी रूप से अंधे रह जाते हैं जो पदार्थ में पहले से ही मौजूद होती है। टोरंटो विश्वविद्यालय के क्वांटम भौतिकविदों की एक टीम ने अब ऐसी छिपी हुई अवस्थाओं का पता लगाने की एक विधि प्रदर्शित की है, जिसमें इलेक्ट्रॉनों के घूर्णन से उत्पन्न परमाणु कंपनों की जांच के लिए प्रकाश का उपयोग किया जाता है। फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित इस अध्ययन को इसके लेखकों ने अगली पीढ़ी के डेटा भंडारण और कंप्यूटिंग हार्डवेयर में मल्टीपोलर चुंबकत्व का उपयोग करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण पहला कदम बताया है।
एक चुंबकीय व्यवस्था जिसे साधारण उपकरण नहीं देख सकते
पाठ्यपुस्तकीय चुंबकत्व एक सीधी तस्वीर मानता है: प्रत्येक चुंबकीय परमाणु एक छोटे छड़ चुम्बक की तरह व्यवहार करता है, और उन छड़ों का सामूहिक संरेखण वे प्रभाव उत्पन्न करता है जो हम देखते हैं। मल्टीपोलर चुंबकत्व इस तस्वीर को तोड़ देता है। ध्रुवों की एक साधारण जोड़ी के बजाय, क्रिस्टल के भीतर कणों की व्यवस्था एक अधिक जटिल ज्यामितीय हस्ताक्षर उत्पन्न करती है — ऑक्टुपोलर मामले में, ऐसा जो पढ़ने में लगता है मानो संरचना में आठ ध्रुव वितरित हों।
चूंकि ध्रुव सममित रूप से व्यवस्थित होते हैं, उनका योगदान ऐसे तरीकों से रद्द हो सकता है जो मानक चुंबकीय मापों से अंतर्निहित व्यवस्था को छिपा देते हैं। टोरंटो विश्वविद्यालय के भौतिकी विभाग और सेंटर फॉर क्वांटम इन्फॉर्मेशन एंड क्वांटम कंट्रोल के प्रोफेसर तथा इस कार्य के वरिष्ठ लेखक अरुण परमेकांती ने चुनौती को स्पष्ट रूप से रखा: टीम ने एक छिपी हुई चुंबकीय अवस्था के हस्ताक्षरों की पहचान की जिसका पता साधारण प्रोब का उपयोग करके नहीं लगाया जा सकता।
यह अदृश्यता इस क्षेत्र में केंद्रीय बाधा है। जिस चुंबकीय अवस्था को विश्वसनीय रूप से पढ़ा नहीं जा सकता, वह चुंबकीय अवस्था विश्वसनीय रूप से उपयोग भी नहीं की जा सकती, चाहे उसके सैद्धांतिक गुण कितने ही आशाजनक क्यों न हों।
चिरल फोनॉन सुनने के लिए प्रकाश का उपयोग
टोरंटो के शोधकर्ताओं ने समस्या का समाधान अप्रत्यक्ष रूप से किया। चुंबकीय व्यवस्था को सीधे मापने की कोशिश करने के बजाय, उन्होंने एक क्रिस्टलीय पदार्थ पर प्रकाश डाला और उसकी परमाणु संरचना के भीतर सूक्ष्म कंपन उत्पन्न किए। उन्होंने पाया कि ये कंपन उन चुंबकीय पैटर्नों के बारे में जानकारी रखते हैं जिन्हें पारंपरिक तकनीकें चूक जाती हैं।
टीम ने जिन विशिष्ट कंपन ऊर्जा के पैकेटों पर ध्यान केंद्रित किया, उन्हें फोनॉन कहा जाता है, जो किसी ठोस के क्रिस्टल जालक से उसी तरह गुजरते हैं जैसे कोई तरंग खिंची हुई डोरी पर यात्रा करती है। इनमें से शोधकर्ताओं ने चिरल फोनॉन को चुना: ऐसे कंपन मोड जो अपनी ही दर्पण छवि से मेल नहीं खाते।
हैंडेडनेस क्यों मायने रखती है
चिरल शब्द ग्रीक भाषा में हाथ के लिए प्रयुक्त शब्द से आया है, और यह उपमा उपयुक्त है। बायां हाथ दाएं हाथ पर सफाई से नहीं बैठ सकता, भले ही दोनों एक-दूसरे की दर्पण छवि हों। चिरल फोनॉन में ठीक इसी प्रकार की हैंडेडनेस होती है, और यही गुण जालक में अन्यथा अदृश्य चुंबकीय व्यवस्था से युग्मित प्रतीत होता है।
यह देखकर कि प्रकाश इन हैंडेड कंपनों के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है, टीम उस चुंबकीय व्यवस्था की उपस्थिति का अनुमान लगा सकी जो पारंपरिक माप में कोई स्पष्ट निशान नहीं छोड़ती। यह दृष्टिकोण प्रभावी रूप से क्रिस्टल की अपनी परमाणु गति को ऐसी अवस्था के लिए संवेदक बना देता है जो अन्यथा छिपी रहती।
रीड-राइट मेमोरी और क्वांटम उपकरणों की ओर
उच्च-कोटि के चुंबकत्व का व्यावहारिक आकर्षण नियंत्रण में निहित है। यदि किसी चुंबकीय अवस्था को विश्वसनीय रूप से स्विच किया जा सके और वापस पढ़ा जा सके, तो वह एक बिट के रूप में काम कर सकती है। मल्टीपोलर व्यवस्थाएं आकर्षक उम्मीदवार हैं क्योंकि वे कुछ प्रकार की गड़बड़ी के प्रति मजबूत होती हैं और सिद्धांत रूप में स्विच करने योग्य भी बनी रहती हैं।
परमेकांती ने कहा कि यह शोध कई अनुप्रयोगों में उच्च-कोटि के चुम्बकों का उपयोग करने की संभावना खोलता है, जिनमें रोजमर्रा के कंप्यूटरों में पाए जाने वाले नियंत्रणीय रीड-राइट मेमोरी तत्व भी शामिल हैं। टीम और व्यापक क्षेत्र द्वारा पहचानी गई संभावित दिशाओं में शामिल हैं:
- ऐसी मेमोरी सेल जिनकी चुंबकीय अवस्था पारंपरिक क्षेत्र संवेदन के बजाय ऑप्टिकल या कंपन हस्ताक्षरों के माध्यम से पढ़ी और लिखी जाती है।
- ऐसी डेटा भंडारण संरचनाएं जो एक ही पदार्थ में अधिक विभेदनीय अवस्थाएं समाहित करने के लिए मल्टीपोलर व्यवस्था का उपयोग करती हैं।
- ऐसी क्वांटम प्रौद्योगिकियां जो क्रिस्टलीय ठोसों के भीतर दीर्घजीवी, सुसंरक्षित आंतरिक अवस्थाओं पर निर्भर करती हैं।
- ऐसे कंप्यूटिंग घटक जिनमें स्विचिंग प्रकाश-प्रेरित जालक कंपनों द्वारा संचालित होती है।
इनमें से कोई भी अनुप्रयोग निकट भविष्य में नहीं है। टोरंटो का परिणाम पता लगाने से संबंधित है — यह स्थापित करना कि एक छिपी हुई व्यवस्था को देखा जा सकता है — न कि किसी कार्यशील उपकरण के इंजीनियरिंग से। लेकिन पता लगाना पूर्वापेक्षित कदम है: विश्वसनीय रीडआउट तंत्र के बिना, ऑक्टुपोलर व्यवस्था पर बनी किसी भी मेमोरी या लॉजिक तत्व का डिज़ाइन अनुमान पर आधारित होगा।
खुले प्रश्न और आगे की राह
मल्टीपोलर चुंबकत्व के भौतिकी प्रयोगशाला से व्यावहारिक प्रौद्योगिकी की ओर बढ़ने से पहले कई प्रश्न शेष हैं। शोधकर्ताओं को यह निर्धारित करना होगा कि विभिन्न पदार्थों और तापमानों में चिरल फोनॉन हस्ताक्षर कितने मजबूत हैं, किसी अवस्था को उस व्यवस्था को नष्ट किए बिना कितनी तेजी से स्विच किया जा सकता है जो उसे उपयोगी बनाती है, और क्या वही ऑप्टिकल प्रोब पढ़ने के साथ-साथ लिखने के लिए भी अनुकूलित किया जा सकता है।
इस कार्य का व्यापक महत्व कार्यप्रणालीगत है। वर्षों से, मल्टीपोलर चुंबकीय व्यवस्थाओं की भविष्यवाणी और बहस मुख्यतः इसलिए होती रही है क्योंकि उन्हें प्रयोगात्मक रूप से पुष्ट करना बहुत कठिन था। यह प्रदर्शित करना कि प्रकाश-चालित कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी एक ऑक्टुपोलर अवस्था को उजागर कर सकती है, शोधकर्ताओं को उन भविष्यवाणियों का सीधे परीक्षण करने का एक नया साधन देता है।
फिलहाल, यह परिणाम एक विश्वविद्यालय के क्वांटम भौतिकी समूह की ओर से एक सिद्धांत-प्रमाण के रूप में खड़ा है, जो एक सहकर्मी-समीक्षित पत्रिका में प्रकाशित हुआ है। इसका महत्व किसी एकल उपकरण में कम और इस तथ्य में अधिक है कि चुंबकत्व के एक छिपे हुए रूप को दृश्यमान बना दिया गया है — और चुंबकत्व का एक छिपा हुआ रूप, एक बार दृश्यमान हो जाने पर, ऐसी चीज़ बन जाता है जिसे नियंत्रित करने के बारे में इंजीनियर सोचना शुरू कर सकते हैं।
यह लेख Phys.org की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।
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