ఒకే అణువు నుంచి సెకనుకు 10 కోట్ల ఫోటాన్లు
క్వాంటం సమాచార ప్రసారం, క్వాంటం నెట్‌వర్క్‌లు, ఆప్టికల్ క్వాంటం కంప్యూటర్లు అన్నీ ఒకే ప్రాథమిక భాగంపై ఆధారపడతాయి: ఏక-ఫోటాన్ మూలం, అంటే కోరినప్పుడు ఒకసారికి ఒక ఫోటాన్ చొప్పున కాంతిని విడుదల చేసే పరికరం, ప్రతి ఫోటాన్ తర్వాతి దానిలాగే సరిగ్గా ఉంటుంది.
ఎన్నో అభ్యర్థులు ఉన్నారు: ఒంటరి పరమాణువులు, బంధించిన అయాన్లు, అర్ధవాహక క్వాంటం డాట్‌లు — అత్యంత పరిణతి చెందినవి — వజ్రం లేదా సిలికాన్‌లోని లోపాలు. సేంద్రియ అణువులు వేరే మార్గం. వాటి నిర్మాణాన్ని రసాయన శాస్త్రం పరమాణువు వారీగా నిర్ణయిస్తుంది, దాన్ని కచ్చితంగా పునరుత్పత్తి చేయవచ్చు; అణువును రూపొందించడం ద్వారా వాటి రంగును ఎంచుకోవచ్చు. అవి అతిచిన్నవి, తయారీ చౌక. ఆతిథేయ స్ఫటికం లోపల పరమ శూన్యానికి దగ్గరగా చల్లబరిస్తే, సాధ్యమైనంత అత్యధిక వర్ణపట స్వచ్ఛత గల కాంతిని విడుదల చేస్తాయి, ఆచరణలో ఎప్పుడూ అరిగిపోవు.
సమస్య: కాంతి పోవడం
ఉద్గారకం కాంతిని అన్ని దిశలకూ పంపుతుంది, దానిలో చాలా భాగం సంపూర్ణ అంతర పరావర్తనం వల్ల పదార్థం లోపలే చిక్కుకుపోతుంది. మొదటి కటకాన్ని తప్పిన ఫోటాన్ శాశ్వతంగా పోయినట్టే. సాధారణ పరిష్కారాలు — సూక్ష్మ కుహరాలు, నానోవైర్లు — పదార్థాన్ని చెక్కడం అవసరం. ఇక్కడ అది అసాధ్యం: ఉత్తమ కాంతినిచ్చే సేంద్రియ స్ఫటికాలు పెళుసైనవి, తయారీ ప్రక్రియలను తట్టుకోలేవు.
ఒక అద్దం, ఒక గోపురం, 140 నానోమీటర్ల పొర
ఎర్లాంగెన్‌లోని మాక్స్ ప్లాంక్ కాంతి విజ్ఞాన సంస్థకు చెందిన స్టెఫాన్ గ్యోట్సింగర్ (Stephan Götzinger) బృందం దానికి బదులుగా సమతల యాంటెనాను ఉపయోగించింది. సిలికా పొర కింద వెండి అద్దం ఉంటుంది. పైన, జిర్కోనియం ఆక్సైడ్ అర్ధగోళం — ఒక “ఘన నిమజ్జన కటకం” (solid immersion lens) — నేరుగా ఆధారపీఠానికి అతికించబడి, కేవలం 140 నానోమీటర్ల మందమున్న సందు మిగులుతుంది. ఆ సందును డైబెంజోటెరిలీన్ అణువులు కొన్ని ఉన్న కరిగిన సేంద్రియ స్ఫటికంతో (1,4-డైక్లోరోబెంజీన్) నింపుతారు, అది తర్వాత గట్టిపడుతుంది.
కాంతిని అధిక వక్రీభవన గుణకం గల గోపురం వైపు మళ్లిస్తారు; మరో వైపుకు తప్పించుకునే కాంతిని అద్దం వెనక్కి పంపుతుంది. కీలకమైన విషయం: స్ఫటికాన్ని ఎప్పుడూ చెక్కరు: నిర్మాణమంతా ఆధారపీఠంలోనే ఉంటుంది. యాంటెనా ఇరుకైన అనునాదంపై ఆధారపడదు కాబట్టి, అది విస్తృత రంగుల శ్రేణిలో పనిచేస్తుంది, అణువు దిశపై పెద్దగా ఆధారపడదు. నమూనాను 1.4 కెల్విన్ (−271.75 °C) వరకు చల్లబరుస్తారు.
సంఖ్యలు
- సేకరణ సామర్థ్యం: 97 ± 2 % కాంతి మొదటి కటకాన్ని చేరుతుంది.
- ఒకే అణువు నుంచి దాని పూర్తి వర్ణపటంలో సెకనుకు సుమారు 10 కోట్ల ఫోటాన్లు సేకరించారు — రచయితల ప్రకారం, వేదిక ఏదైనా, ఏ అతిశీతల ఏక-ఫోటాన్ మూలానికైనా నివేదించిన అత్యధిక రేటు ఇది. గుర్తించిన రేటు, సెకనుకు 2.13 కోట్ల గణనలు, మునుపటి అతిశీతల అణు మూలాల కంటే పది రెట్లు ఎక్కువ.
- స్వచ్ఛత: 97.5 % కంటే ఎక్కువ — బలమైన ఉత్తేజనలోనూ ఫోటాన్లు నిజంగా ఒక్కొక్కటిగానే బయటకు వస్తాయి.
- అభేద్యత (indistinguishability): 91.2 ± 2.3 % — వరుస ఫోటాన్లు ఎంత ఒకేలా ఉన్నాయో చెప్పే కొలత, కొద్దిగా మిగిలిన సంబద్ధత (coherence) నష్టం దీన్ని పరిమితం చేస్తుంది.
- 170.7 నానోసెకన్ల వ్యవధిలో విడుదలైన రెండు ఫోటాన్లు కూడా అధిక దృశ్యతతో వ్యతికరణం చెందుతాయి.
- ఉప ఫలితంగా, ఈ అణువు తన ఉత్తేజనల్లో సుమారు 90 % ను కాంతిగా మారుస్తుందని బృందం కొలిచింది — ఈ అణువుకు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద మొదటి ప్రత్యక్ష అంచనా.
పోటీలోకి సేంద్రియ అణువులు
ఈ ఫలితాలు సేంద్రియ అణువులను ఏక ఫోటాన్ల కోసం పోటీపడే వేదికల సరసన నిలబెడతాయి: ఒకేసారి ప్రకాశవంతంగా, స్వచ్ఛంగా, సంబద్ధంగా. యాంటెనాను ఒక నిర్దిష్ట అణువుకు అనుగుణంగా సర్దుబాటు చేయనక్కర్లేదు కాబట్టి, ఇది ఇతర అణువు–స్ఫటిక జతలతోనూ, అందువల్ల ఇతర రంగుల్లోనూ పనిచేస్తుందని రచయితలు ఆశిస్తున్నారు. వారి తదుపరి లక్ష్యం: పొరుగున ఉన్న అనేక అణువులను ఒకే పౌనఃపున్యానికి సర్దుబాటు చేసి కాంతి యొక్క మరింత సంక్లిష్టమైన క్వాంటం స్థితులను ఉత్పత్తి చేయడం — భవిష్యత్ క్వాంటం ఫోటోనిక్ నెట్‌వర్క్‌ల వైపు ఒక అడుగు.