वैज्ञानिकों को क्वांटम कंप्यूटिंग का पवित्र कंघ मिल सकता है

ट्रिपलेट सुपरकंडक्टिविटी की लंबी खोज

दशकों से, भौतिकविदों ने एक विशेष प्रकार की सामग्री की खोज की है जो संघनित पदार्थ भौतिकी की दो सबसे शक्तिशाली घटनाओं के चौराहे पर मौजूद है: सुपरकंडक्टिविटी और स्पिनट्रॉनिक्स। ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर के रूप में जानी जाने वाली यह सामग्री न केवल प्रतिरोध के बिना विद्युत प्रवाह को संचारित करने में सक्षम होगी, बल्कि स्पिन प्रवाह, इलेक्ट्रॉन स्पिन जानकारी के प्रवाह को पूर्ण दक्षता के साथ संचारित करने में सक्षम होगी। यह एक संयोजन है जो क्वांटम कंप्यूटिंग में क्रांति ला सकता है, और नॉर्वेजियन विश्वविद्यालय विज्ञान और प्रौद्योगिकी के वैज्ञानिकों का अब मानना है कि वह इसे खोज सकते हैं।

प्रश्न में सामग्री NbRe है, निओबियम और रेनियम की एक मिश्र धातु। जबकि दोनों तत्वों का भौतिकविदों द्वारा व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है, उनका संयोजन कुछ उल्लेखनीय प्रदान करने लगता है: 7 केल्विन के तापमान पर ट्रिपलेट सुपरकंडक्टिविटी का प्रमाण, जो विदेशी सुपरकंडक्टर्स के मानकों द्वारा अपेक्षाकृत गर्म है जिनमें अक्सर पूर्ण शून्य के कुछ अंश डिग्री तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है।

सुपरकंडक्टिविटी और स्पिन को समझना

यह सराहना करने के लिए कि यह खोज महत्वपूर्ण क्यों है, यह समझने में मदद करता है कि पारंपरिक सुपरकंडक्टर क्या कर सकते हैं और नहीं कर सकते। एक मानक सुपरकंडक्टर में, इलेक्ट्रॉन कूपर जोड़ी नामक जोड़ी बनाते हैं, जो किसी भी विद्युत प्रतिरोध का सामना किए बिना सामग्री के माध्यम से बहते हैं। इस संपत्ति ने MRI मशीनों से कण त्वरक तक की तकनीकों को सक्षम किया है।

हालांकि, पारंपरिक कूपर जोड़ी में, दोनों इलेक्ट्रॉनों के विपरीत स्पिन होते हैं। स्पिन इलेक्ट्रॉनों की एक मौलिक क्वांटम संपत्ति है, जो एक शास्त्रीय वस्तु के रोटेशन की दिशा के अनुरूप है। जब एक कूपर जोड़ी में दोनों इलेक्ट्रॉन विपरीत स्पिन रखते हैं, तो वे एक सिंगलेट स्थिति बनाते हैं। जोड़ी की शुद्ध स्पिन शून्य है, जिसका अर्थ है कि जबकि जोड़ी पूरी तरह से विद्युत आवेश को ले जाती है, यह कोई स्पिन जानकारी नहीं ले जाती है।

स्पिनट्रॉनिक्स, प्रौद्योगिकी का एक अलग क्षेत्र, जानकारी को कोडित और संसाधित करने के लिए इलेक्ट्रॉनों की स्पिन का दोहन करता है। स्पिनट्रॉनिक उपकरण गति, ऊर्जा दक्षता और डेटा घनत्व के मामले में पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स के संभावित लाभ प्रदान करते हैं। लेकिन मौजूदा स्पिनट्रॉनिक तकनीकें अभी भी ऊर्जा को खो देती हैं क्योंकि स्पिन प्रवाह पारंपरिक सामग्रियों में प्रतिरोध का सामना करते हैं।

एक ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर इन दोनों दुनियाओं को पुल करता है। ट्रिपलेट कूपर जोड़ी में, दोनों इलेक्ट्रॉन एक ही स्पिन अभिविन्यास रखते हैं, जोड़ी को एक शुद्ध स्पिन देते हैं। इसका मतलब है कि सामग्री विद्युत प्रवाह और स्पिन प्रवाह दोनों को एक साथ ले जा सकती है, और यह दोनों के लिए शून्य प्रतिरोध के साथ कर सकती है। NTNU के शोधकर्ताओं ने इस बिंदु पर जोर दिया: वे अब संभावित रूप से केवल विद्युत प्रवाह नहीं बल्कि स्पिन प्रवाह को बिल्कुल शून्य प्रतिरोध के साथ परिवहन कर सकते हैं।

NbRe क्यों उभरता है

ट्रिपलेट सुपरकंडक्टिविटी के लिए पिछले उम्मीदवार की पहचान की गई है, लेकिन वे आम तौर पर 1 केल्विन के करीब तापमान तक ठंडा करने की आवश्यकता है, जो पूर्ण शून्य से केवल एक डिग्री है। इस तरह के चरम तापमान को प्राप्त करना और बनाए रखना अत्यधिक महंगा और तकनीकी रूप से मांग है, इन सामग्रियों के चारों ओर निर्मित किसी भी प्रौद्योगिकी पर कठोर व्यावहारिक सीमाएं लगाता है।

NbRe का सुपरकंडक्टिविटी संक्रमण लगभग 7 केल्विन के तापमान पर होता है। रोजमर्रा के मानकों द्वारा अभी भी बेहद ठंडे होने के बावजूद, यह तापमान 1 केल्विन की तुलना में काफी अधिक सुलभ है। ऑपरेटिंग तापमान में सात गुना सुधार नाटकीय नहीं लग सकता है, लेकिन क्रायोजेनिक इंजीनियरिंग में, हर डिग्री बहुत महत्वपूर्ण है। उच्च ऑपरेटिंग तापमान सरल, कम महंगे और अधिक विश्वसनीय कूलिंग सिस्टम में अनुवाद करते हैं, जो बदले में व्यावहारिक अनुप्रयोगों को अधिक व्यावहारिक बनाते हैं।

NbRe में ट्रिपलेट सुपरकंडक्टिविटी के लिए सबूत NTNU टीम द्वारा किए गए प्रयोगों की एक श्रृंखला से आता है, जांच कर रहे हैं कि सामग्री चुंबकीय क्षेत्रों पर कैसे प्रतिक्रिया करती है, इसकी सुपरकंडक्टिविटी गुणों तापमान के साथ कैसे बदलते हैं, और यह सावधानीपूर्वक डिजाइन किए गए heterstructures में आसन्न सामग्री के साथ कैसे जुड़ता है। डेटा ट्रिपलेट कूपर जोड़ी की उपस्थिति के साथ सामंजस्यपूर्ण हैं, हालांकि शोधकर्ताओं का स्वीकार है कि निश्चित पुष्टि के लिए स्वतंत्र अनुसंधान समूहों द्वारा अतिरिक्त सत्यापन की आवश्यकता होगी।

क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए निहितार्थ

क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर्स की संभावित महत्ता गहरी है। वर्तमान क्वांटम कंप्यूटर एक मौलिक चुनौती का सामना करते हैं: पर्याप्त सटीकता के साथ कम्प्यूटेशनल संचालन का प्रदर्शन। क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स, पर्यावरण शोर के लिए असाधारण रूप से संवेदनशील हैं, जो त्रुटियों का परिचय देता है जो कंप्यूटिंग आगे बढ़ने के साथ जमा होता है। यह त्रुटि समस्या व्यापक रूप से व्यावहारिक, बड़े पैमाने पर क्वांटम कंप्यूटर बनाने में सबसे बड़ी एकल बाधा माना जाता है।

ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर इस चुनौती को कई तरीकों से संबोधित कर सकते हैं:

• शून्य ऊर्जा dissipation के साथ स्पिन-आधारित सूचना प्रसंस्करण को सक्षम करके, ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर्स वर्तमान तकनीकें उत्पन्न करने की तुलना में कहीं कम थर्मल शोर के साथ क्वांटम ऑपरेशन करने की अनुमति दे सकते हैं
• चार्ज और स्पिन दोनों प्रवाह को ले जाने की दोहरी क्षमता नई qubit आर्किटेक्चर को सक्षम कर सकती है जो स्वाभाविक रूप से कुछ प्रकार की त्रुटियों के प्रति अधिक प्रतिरोधी हैं
• एक lossless स्पिन परिवहन तंत्र की ऊर्जा दक्षता क्वांटम प्रोसेसर की शक्ति खपत को नाटकीय रूप से कम कर सकती है, बड़ी प्रणालियों को अधिक व्यावहारिक बना सकती है
• कुछ प्रकार के ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर से जुड़ी topological संपत्ति decoherence के खिलाफ प्राकृतिक सुरक्षा प्रदान कर सकती है, वह प्रक्रिया जिससे क्वांटम जानकारी पर्यावरण में खो जाती है

शोधकर्ताओं ने野心पूर्ण शब्दों में संभावित परिणाम का वर्णन किया: अति-तेज़ क्वांटम कंप्यूटर जो लगभग कोई शक्ति पर नहीं चलते हैं। जबकि इस तरह की डिवाइस अभी भी वास्तविकीकरण से दूर हैं, एक सामग्री की पहचान जो उनकी नींव के रूप में काम कर सकती है, उस दृष्टि की ओर एक ठोस कदम का प्रतिनिधित्व करती है।

स्पिनट्रॉनिक्स कनेक्शन

क्वांटम कंप्यूटिंग से परे, ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर्स व्यापक स्पिनट्रॉनिक्स क्षेत्र के लिए महत्वपूर्ण प्रतिश्रुति रखते हैं। मौजूदा स्पिनट्रॉनिक उपकरण, जिसमें चुंबकीय रैंडम-एक्सेस मेमोरी (MRAM) और स्पिन-ट्रांसफर टॉर्क ऑसिलेटर शामिल हैं, प्रतिरोध द्वारा सीमित हैं जो स्पिन प्रवाह के रूप में सामग्री के माध्यम से प्रवाहित होते हैं। यह प्रतिरोध ताप उत्पन्न करता है और उपकरणों की गति और दक्षता को सीमित करता है।

एक ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर स्पिनट्रॉनिक सर्किट के लिए नि: शुल्क संपर्क सामग्री के रूप में काम कर सकता है, घटकों के बीच शून्य नुकसान के साथ स्पिन जानकारी ले जा सकता है। यह स्पिनट्रॉनिक डिवाइस प्रदर्शन में एक गुणात्मक छलांग का प्रतिनिधित्व करेगा, ऐसे अनुप्रयोगों को सक्षम करते हुए जो वर्तमान में ऊर्जा dissipation बाधाओं के कारण अव्यावहारिक हैं।

सुपरकंडक्टिविटी और स्पिनट्रॉनिक्स को एक एकल सामग्री मंच में विवाह करना पूरी तरह से नई डिवाइस अवधारणाओं को भी सक्षम कर सकता है जिनका वर्तमान प्रौद्योगिकी में कोई एनालॉग नहीं है। इस क्षेत्र के शोधकर्ताओं ने लंबे समय तक ऐसी संभावनाओं के बारे में अनुमान लगाया है, और NbRe की एक ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर उम्मीदवार के रूप में पहचान इन अनुमानों को प्रायोगिक वास्तविकता के करीब लाती है।

सावधानी और अगले कदम

NTNU टीम उचित वैज्ञानिक संयम के साथ अपने निष्कर्ष प्रस्तुत करने में सावधानी बरती है। जबकि NbRe में ट्रिपलेट सुपरकंडक्टिविटी के साक्ष्य सांकेतिक हैं, सुपरकंडक्टिविटी अनुसंधान में समय से पहले दावों और बाद की निराश का इतिहास है। इस क्षेत्र ने 1980 के दशक के अंत में ठंड संलयन विवाद से कड़े पाठ सीखे हैं और तब से असाधारण दावों के लिए उच्च मानकों को बनाए रखा है।

स्वतंत्र प्रतिकृति अगला महत्वपूर्ण कदम है। दुनिया भर के अन्य अनुसंधान समूहों को NbRe नमूने संश्लेषित करने और NTNU निष्कर्ष की पुष्टि या चुनौती देने के लिए अपने स्वयं के माप करने की आवश्यकता होगी। यह प्रक्रिया संभवतः महीने से लेकर वर्षों तक ले सकती है, क्योंकि शामिल प्रयोगों के लिए विशेष उपकरण और विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है।

यदि निष्कर्ष पुष्टि किए जाते हैं, तो वैज्ञानिक समुदाय को NbRe में ट्रिपलेट जोड़ी के लिए जिम्मेदार सूक्ष्म तंत्र को समझने की चुनौती का सामना करना होगा। यह सैद्धांतिक समझ सामग्री के गुणों को अनुकूलित करने और संभावित रूप से अधिक अनुकूल विशेषताओं वाली अन्य सामग्रियों की खोज के लिए आवश्यक होगी।

अंतिम परिणाम की परवाह किए बिना, अनुसंधान अगली पीढ़ी के क्वांटम और स्पिनट्रॉनिक तकनीकों को रेखांकित कर सकने वाली सामग्री की खोज में एक अर्थपूर्ण योगदान का प्रतिनिधित्व करता है। एक क्षेत्र में जहां प्रगति अक्सर वृद्धिशील कदमों में आती है, एक ट्रिपलेट सुपरकंडक्टर उम्मीदवार की पहचान जो अपेक्षाकृत सुलभ तापमान पर संचालित होती है, एक महत्वपूर्ण कदम आगे के रूप में योग्य है।

यह लेख Science Daily की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें।