अब तक कहानी: क्वांटम मैकेनिक्स का कहना है कि कण कभी -कभी बाधाओं को पार कर सकते हैं, उनके पास चढ़ाई करने की ऊर्जा नहीं होती है, जैसे कि पहले स्केलिंग के बजाय एक पहाड़ के माध्यम से उबाऊ। यह प्रक्रिया, जिसे टनलिंग कहा जाता है, परमाणु और परमाणु भौतिकी में आम है। 2025 भौतिकी नोबेल पुरस्कार पुरस्कार विजेता जॉन क्लार्क, मिशेल डेवोरेट और जॉन मार्टिनिस दिखाया गया है कि इस तरह का व्यवहार न केवल उप -परमाणु कणों में हो सकता है, बल्कि सुपरकंडक्टर्स से बने विद्युत सर्किट में भी हो सकता है। खोज हमारे परिवेश से जानकारी एकत्र, अध्ययन, समझने और उपयोग करने के तरीके को बदलने के लिए निर्धारित नई तकनीकों के लिए दरवाजा खोलती है।
जोसेफसन जंक्शन क्या है?
पुरस्कार विजेता प्रयोगों की मौलिक इकाई तीनों द्वारा संचालित एक उपकरण है जिसे एक जोसेफसन जंक्शन कहा जाता है। यहां, दो सुपरकंडक्टर्स को एक बहुत पतले इन्सुलेटर द्वारा अलग किया जाता है। तीनों यह जानना चाहते थे कि क्या सर्किट का एक पैरामीटर एक पूरे के रूप में है, इस मामले में जंक्शन का चरण अंतर, एकल क्वांटम कण की तरह व्यवहार कर सकता है। वे सर्किट में मैक्रोस्कोपिक क्वांटम मैकेनिकल टनलिंग और असतत ऊर्जा स्तरों को देखकर, एक शानदार ‘हां’ के साथ अपने प्रयोगों से दूर आए।
एक एकल जोसेफसन जंक्शन का एक योजनाबद्ध चित्रण। ए और बी दो सुपरकंडक्टर्स हैं; C एक अल्ट्राथिन इन्सुलेटर है। | फोटो क्रेडिट: मिरासेटी (सीसी बाय-एसए)
एक सुपरकंडक्टर में, कई इलेक्ट्रॉनों ने जोड़ी बनाई और प्रतिरोध के बिना आगे बढ़ें। जोसेफसन जंक्शन में, प्रासंगिक चर सुपरकंडक्टिंग ऑर्डर पैरामीटर का चरण अंतर है। अलग -अलग तरीके से, सुपरकंडक्टिंग ऑर्डर पैरामीटर एक मैक्रोस्कोपिक वैरिएबल है जो सामग्री शेयर में इलेक्ट्रॉन जोड़े के खरबों को ट्रिलियन करता है और जो राज्य का वर्णन करता है कि सिस्टम में है। सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि जंक्शन के माध्यम से वर्तमान पैरामीटर के मूल्य पर निर्भर करता है, और यह कि चरण अंतर जंक्शन के पार वोल्टेज के अनुसार समय में विकसित होता है।
जब वैज्ञानिकों ने जोसेफसन जंक्शन के माध्यम से एक करंट भेजा, तो उन्होंने पाया कि यदि यह काफी छोटा था, तो युग्मित इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह ठप हो गया और सर्किट ने कोई वोल्टेज नहीं बनाया। शास्त्रीय भौतिकी में, यह राज्य कभी नहीं बदलेगा: इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह अवरुद्ध रहेगा। लेकिन क्वांटम दुनिया में, वर्तमान में अचानक जाल से बाहर निकलने और दूसरी तरफ स्वतंत्र रूप से बहने का एक छोटा सा मौका है, जिससे एक औसत दर्जे का वोल्टेज बनता है।
सर्किट नाजुक क्यों था?
1980 के दशक की शुरुआत में, कई समूहों ने वर्तमान को अलग -अलग करके और उस मूल्य को रिकॉर्ड करके इस टनलिंग की खोज की, जिस पर जंक्शन ने वोल्टेज का उत्पादन किया। यदि इलेक्ट्रॉन जोड़े केवल थर्मल उतार -चढ़ाव के कारण दूसरी तरफ से बच रहे थे – तो पहाड़ के पार कूदने के लिए पर्याप्त गर्म होने के लिए – डिवाइस को ठंडा करने से वोल्टेज का उत्पादन करने के लिए आवश्यक वर्तमान की मात्रा में वृद्धि होनी चाहिए। दूसरी ओर, यदि इलेक्ट्रॉन जोड़े टनलिंग कर रहे थे, तो पार करने की दर अंततः तापमान के साथ बदलना बंद कर देगी।
सरल हालांकि सेटअप था, चुनौती सर्किट को प्रभावित करने और तापमान-स्वतंत्र व्यवहार के अनुरूप डेटा का उत्पादन करने से आवारा माइक्रोवेव विकिरण रखने में थी। इसलिए प्रयोगकर्ताओं को बहुत सावधानी के साथ पर्यावरणीय शोर को कम करने और उनकी विशेषता करने की आवश्यकता थी।
डेवोरेट और मार्टिनिस के साथ काम करने वाले क्लार्क के नेतृत्व में बर्कले टीम ने अपने सेटअप को फिर से डिज़ाइन करके इस समस्या को हल किया ताकि आवारा संकेत हस्तक्षेप न कर सकें। उन्होंने अवांछित माइक्रोवेव को ब्लॉक करने के लिए विशेष फिल्टर और परिरक्षण का उपयोग किया और प्रयोग के हर हिस्से को बेहद ठंडा और स्थिर रखा। फिर उन्होंने बेहोश होकर अभी तक सटीक रूप से ट्यून किए गए माइक्रोवेव दालों को धीरे से परीक्षण करने के लिए भेजा कि सर्किट ने कैसे प्रतिक्रिया दी, जिससे उन्हें इसके विद्युत गुणों को सही तरीके से मापने की अनुमति मिली। जब उन्होंने अंततः सिस्टम को बहुत कम तापमान पर ठंडा किया, तो उन्होंने देखा कि इसका व्यवहार क्वांटम टनलिंग सिद्धांत द्वारा अनुमानित सटीक पैटर्न से मेल खाता है।
सर्किट ने क्वांटम प्रभाव कैसे दिखाया?
शोधकर्ता यह भी पता लगाना चाहते थे कि क्या सर्किट की फंसी हुई स्थिति अलग -अलग ऊर्जा चरणों के साथ एक क्वांटम सिस्टम की तरह व्यवहार करती है – एक क्वांटम राज्य की एक बानगी – एक चिकनी सीमा के बजाय। वे करंट को समायोजित करते समय जंक्शन पर विभिन्न आवृत्तियों के माइक्रोवेव को चमकाएं। जब आवृत्ति बिल्कुल दो अनुमत ऊर्जा स्तरों के बीच अंतर से मेल खाती है, तो सर्किट अचानक अपनी फंसी हुई स्थिति से अधिक आसानी से बच गया। स्तर जितना अधिक होगा, यह पलायन उतनी ही तेजी से हुआ। इन पैटर्न से पता चला है कि सर्किट की समग्र स्थिति केवल ऊर्जा के निश्चित पैकेट प्राप्त या उत्सर्जित कर सकती है, जो यह भी है कि क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का पालन करने के बाद एक एकल कण भी कैसे व्यवहार करेगा। संक्षेप में, एक पूरे के रूप में सर्किट एक परमाणु की तरह व्यवहार करता है।
एक साथ रखो, परिणामों ने दो तथ्यों का खुलासा किया। सबसे पहले, एक मैक्रोस्कोपिक इलेक्ट्रिकल सर्किट – एक जिसे आप नग्न आंखों के साथ देख सकते हैं – अपने वातावरण से पर्याप्त रूप से अलग होने पर क्वांटम व्यवहार प्रदर्शित कर सकते हैं। दूसरा, उस सर्किट में प्रासंगिक मैक्रोस्कोपिक समन्वय को क्वांटम यांत्रिकी के मानक उपकरणों का उपयोग करके समझा जा सकता है।
एक सुपरकंडक्टर के अंदर क्या होता है? | फोटो क्रेडिट: जोहान जर्नस्टैड/द रॉयल स्वीडिश एकेडमी ऑफ साइंसेज
इन प्रयोगों ने मैक्रोस्कोपिक क्वांटम राज्यों को नियंत्रित करने और ‘पढ़ने’ के लिए एक व्यावहारिक मार्ग की ओर भी इशारा किया-इस मामले में एक पूर्वाग्रह वर्तमान, कमजोर माइक्रोवेव, और बाहरी विकिरण से सर्किट को ढालने के लिए पर्याप्त सुरक्षा का उपयोग करते हुए-एक जिसने क्षेत्र को ठोस-राज्य उपकरणों में विश्वसनीय क्वांटम माप बनाने के लिए एक टेम्पलेट दिया। 1990 और 2000 के दशक में बाद के काम ने इन विचारों को बढ़ाया, सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स को विकसित किया, उन्हें माइक्रोवेव गुंजयमानियों में एम्बेड किया, और उनके सुसंगतता में सुधार किया (यानी शोर द्वारा नष्ट किए बिना उनके क्वांटम राज्यों को बनाए रखने की उनकी क्षमता)।
इस काम के अनुप्रयोग क्या हैं?
तकनीकी अनुप्रयोग एक ही भौतिकी से प्रवाहित होते हैं। जोसेफसन जंक्शन के साथ एक सर्किट को एक परमाणु के मात्रात्मक ऊर्जा स्तरों की नकल करने के लिए बनाया जा सकता है; माइक्रोवेव इन ऊर्जा स्तरों के बीच कूदने के लिए सर्किट को चला सकते हैं; और एक गुंजयमान करने वाले को सर्किट को सावधानीपूर्वक युग्मित करने से एक ऑपरेटर को सर्किट में परिवर्तन को परेशान किए बिना इसे मापने की अनुमति मिल सकती है। यह आर्किटेक्चर, जिसे सर्किट क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के रूप में जाना जाता है, आज के कई सुपरकंडक्टिंग क्वांटम प्रोसेसर की नींव है।
(गुंजयमान माइक्रोवेव के लिए एक इको चैम्बर की तरह है। जब सर्किट को एक गुंजयमान करने वाले के लिए युग्मित किया जाता है, तो दोनों एक नियंत्रित तरीके से ऊर्जा का आदान -प्रदान कर सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को अनुनादक के व्यवहार में परिवर्तन का अवलोकन करके अप्रत्यक्ष रूप से सर्किट की स्थिति को मापने की अनुमति मिलती है।)
मैक्रोस्कोपिक क्वांटम प्रभावों का शोषण करने वाले सुपरकंडक्टिंग सर्किट अब कई उभरती प्रौद्योगिकियों के लिए केंद्रीय हैं। वे क्वांटम एम्पलीफायरों हैं जो शोर को जोड़ने के बिना बेहद कमजोर संकेतों को बढ़ावा देते हैं – डायग्नोस्टिक्स में एक उपयोगी क्षमता उतना ही है जितना कि डार्क मैटर की खोज। वे असाधारण सटीकता के साथ वर्तमान और वोल्टेज को मापने के लिए उपयोग किए जाते हैं। वे माइक्रोवेव-टू-ऑप्टिकल कन्वर्टर्स हो सकते हैं जो क्वांटम प्रोसेसर को फाइबर-ऑप्टिक नेटवर्क से जोड़ते हैं। वे क्वांटम सिमुलेटर में जटिल सामग्री या यहां तक कि परमाणु द्वारा परमाणु प्रतिक्रियाओं पर परमाणु द्वारा उपयोग किए जाने वाले घटक हैं।
अंततः, ये डिवाइस उपयोगी हैं क्योंकि सर्किट के चरण अंतर और सुपरक्रेंट बड़े, औसत दर्जे के परिवर्तनों के साथ छोटे बाहरी प्रभावों का भी जवाब देते हैं। लॉरेट्स के काम ने इस बग को एक सुविधा में बदल दिया।
प्रकाशित – 07 अक्टूबर, 2025 07:24 PM IST