ایک مالیکیول سے ہر سیکنڈ 10 کروڑ فوٹون
کوانٹم مواصلات، کوانٹم نیٹ ورک اور آپٹیکل کوانٹم کمپیوٹر سب ایک ہی بنیادی پرزے پر انحصار کرتے ہیں: واحد فوٹون منبع، ایک ایسا آلہ جو روشنی ایک وقت میں ایک فوٹون کی صورت میں، مانگ پر، خارج کرے، اور ہر فوٹون اگلے فوٹون جیسا ہو۔
بہت سے امیدوار موجود ہیں: اکیلے ایٹم، قید کیے گئے آئن، سیمی کنڈکٹر کوانٹم ڈاٹس — جو سب سے پختہ ہیں — اور ہیرے یا سلیکون میں نقائص۔ نامیاتی مالیکیول ایک مختلف راستہ ہیں۔ ان کی ساخت کیمیا سے، ایٹم بہ ایٹم، طے ہوتی ہے اور بالکل دہرائی جا سکتی ہے؛ ان کا رنگ مالیکیول کو ڈیزائن کر کے چنا جا سکتا ہے۔ یہ ننھے ہیں اور بنانے میں سستے ہیں۔ ایک میزبان قلم (crystal) کے اندر مطلق صفر کے قریب ٹھنڈا کیے جائیں تو یہ ممکنہ حد تک اعلیٰ ترین طیفی خلوص کی روشنی خارج کرتے ہیں اور عملی طور پر کبھی گھستے نہیں۔
مسئلہ: روشنی کا ضیاع
ایک خارج کنندہ روشنی ہر سمت بھیجتا ہے، اور اس کا بیشتر حصہ کلی اندرونی انعکاس کی وجہ سے مادے کے اندر ہی پھنسا رہتا ہے۔ جو فوٹون پہلے عدسے سے چوک جائے وہ ہمیشہ کے لیے گیا۔ معمول کے حل — مائیکرو کیویٹیز، نینو تار — مادے کو کھرچنے (etching) کا تقاضا کرتے ہیں۔ یہاں یہ ناممکن ہے: بہترین روشنی دینے والے نامیاتی قلمیں نازک ہیں اور تیاری کے عمل کو برداشت نہیں کرتیں۔
ایک آئینہ، ایک گنبد اور 140 نینو میٹر کی تہہ
ارلانگن میں میکس پلانک انسٹی ٹیوٹ برائے سائنسِ روشنی میں اسٹیفن گوئٹسنگر کی ٹیم نے اس کے بجائے ایک مسطح اینٹینا (planar antenna) استعمال کیا۔ چاندی کا ایک آئینہ سلیکا کی ایک تہہ کے نیچے ہے۔ اوپر زرکونیم آکسائیڈ کا ایک نصف کرہ — ایک “ٹھوس غوطہ عدسہ” (solid immersion lens) — براہِ راست زیریں سطح سے جوڑا گیا ہے، جس سے صرف 140 نینو میٹر موٹی ایک نالی بچ جاتی ہے۔ اس نالی کو ایک پگھلے ہوئے نامیاتی قلم (1,4-ڈائی کلورو بینزین) سے بھرا جاتا ہے جس میں ڈائی بینزو ٹیریلین کے چند مالیکیول ہوتے ہیں، اور پھر وہ ٹھوس ہو جاتا ہے۔
روشنی کو زیادہ انعطافی اشاریے والے گنبد کی طرف موڑا جاتا ہے؛ آئینہ اس روشنی کو واپس بھیج دیتا ہے جو دوسری طرف نکل جاتی۔ اہم بات یہ ہے کہ خود قلم کو کبھی کھرچا نہیں جاتا: ساری ساخت زیریں سطح میں ہے۔ اینٹینا کسی تنگ گمک (resonance) پر انحصار نہیں کرتا، اس لیے یہ رنگوں کی وسیع حد پر کام کرتا ہے اور مالیکیول کے رخ پر بمشکل منحصر ہے۔ نمونے کو 1.4 کیلون (−271.75 °C) تک ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔
اعداد و شمار
- جمع کرنے کی کارکردگی: 97 ± 2 % روشنی پہلے عدسے تک پہنچتی ہے۔
- ایک مالیکیول سے اس کے پورے طیف پر ہر سیکنڈ تقریباً 10 کروڑ فوٹون جمع ہوئے — مصنفین کے مطابق، کسی بھی پلیٹ فارم پر کسی بھی کرائیوجینک واحد فوٹون منبع کے لیے اب تک رپورٹ ہونے والی سب سے زیادہ شرح۔ پکڑی گئی شرح، 2 کروڑ 13 لاکھ گنتیاں فی سیکنڈ، پچھلے کرائیوجینک مالیکیولی منبعوں سے دس گنا زیادہ ہے۔
- خلوص: 97.5 % سے زیادہ — فوٹون واقعی ایک ایک کر کے نکلتے ہیں، شدید تحریک کے تحت بھی۔
- ناقابلِ امتیاز ہونا: 91.2 ± 2.3 % — یعنی پے در پے فوٹون کتنے یکساں ہیں، جسے ہم آہنگی (coherence) کا ایک معمولی باقی ماندہ نقصان محدود کرتا ہے۔
- 170.7 نینو سیکنڈ کے وقفے سے خارج ہونے والے دو فوٹون اب بھی اعلیٰ وضاحت کے ساتھ مداخلت (interference) کرتے ہیں۔
- ضمنی نتیجے کے طور پر، ٹیم نے ناپا کہ مالیکیول اپنی تقریباً 90 % تحریکات کو روشنی میں بدلتا ہے — اس مالیکیول کے لیے کم درجۂ حرارت پر پہلا براہِ راست اندازہ۔
نامیاتی مالیکیول دوڑ میں شامل
یہ نتائج نامیاتی مالیکیولوں کو واحد فوٹونوں کے مسابقتی پلیٹ فارموں میں شامل کرتے ہیں: ایک ہی وقت میں روشن، خالص اور ہم آہنگ۔ چونکہ اینٹینا کو کسی خاص مالیکیول کے مطابق ٹیون کرنے کی ضرورت نہیں، مصنفین توقع رکھتے ہیں کہ یہ دوسرے مالیکیول–قلم جوڑوں کے ساتھ بھی کام کرے گا، اور یوں دوسرے رنگوں پر بھی۔ ان کا اگلا ہدف: کئی ہمسایہ مالیکیولوں کو ایک ہی تعدد پر ٹیون کرنا تاکہ روشنی کی زیادہ پیچیدہ کوانٹم حالتیں پیدا کی جا سکیں — مستقبل کے کوانٹم فوٹونک نیٹ ورکوں کی جانب ایک قدم۔