लेज़र का उपयोग करके गैर-चुंबकीय पदार्थों को चुंबकीय बनाना आधुनिक कंप्यूटरों को बदल सकता है

क्वांटम कंप्यूटिंग में विशाल संभावनाएँ हैं। यह उद्योगों को पूरी तरह बदल सकता है और ब्रह्मांड को समझने के हमारे तरीके को बदल सकता है। क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों को कंप्यूटर विज्ञान के साथ मिलाकर, क्वांटम कंप्यूटिंग बड़ी मात्रा में डेटा को समानांतर रूप से प्रोसेस करके और कई समाधान खोजते हुए जटिल समस्याओं को आसानी से हल करने की अनुमति देती है। 

इस तरह, क्वांटम कंप्यूटर दवा खोज, जलवायु मॉडलिंग, एआई क्षमताओं को बढ़ाने और अनुकूलन समस्याओं को हल करने में मदद कर सकते हैं। वे मौजूदा एन्क्रिप्शन विधियों को तोड़कर और अटूट क्वांटम एन्क्रिप्शन सिस्टम बनाकर साइबर सुरक्षा में भी संभावनाएँ रखते हैं।

वर्षों के दौरान, हमने क्वांटम कंप्यूटिंग में महत्वपूर्ण प्रगति की है, जिसमें क्वांटम सुप्रीमसी, त्रुटि सुधार कोड और क्लाउड-आधारित क्वांटम कंप्यूटर शामिल हैं। हालांकि, यह प्रगति मुख्यतः प्रयोगशालाओं के अत्यंत ठंडे तापमान तक सीमित रही है, जो अब बदलने वाली है। 

अब, नॉर्डिक इंस्टीट्यूट फॉर थ्योरिटिकल फिज़िक्स (NORDITA) के शोधकर्ता, जो पाँच नॉर्डिक देशों, स्टॉकहोम विश्वविद्यालय और वेनिस के Ca’ Foscari विश्वविद्यालय के सहयोग से हैं, कमरे के तापमान पर क्वांटम व्यवहार को सफलतापूर्वक प्रदर्शित कर चुके हैं लेज़र प्रकाश का उपयोग करके। पहली बार, लेज़र प्रकाश ने गैर-चुंबकीय पदार्थों को चुंबकीय बना दिया।

यह अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि चुंबकत्व कंप्यूटर के कार्य करने में मुख्य भूमिका निभाता है। कंप्यूटर मेमोरी छोटे पैमाने के इलेक्ट्रोमैग्नेट का उपयोग करती है जो वोल्टेज से चुंबित होते हैं ताकि “ऑन” या “ऑफ” की द्विआधारी स्थितियों को सक्षम किया जा सके। परमाणु और इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को डेटा पढ़ने, लिखने और हेरफेर करने की अनुमति देती है।

इस नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि कैसे गैर-चुंबकीय पदार्थ को उच्च-आवृत्ति वाले लेज़र विकिरण के संपर्क में लाने से कमरे के तापमान पर चुंबकीय प्रभाव उत्पन्न हो सकता है।

यह नई उपलब्धि अधिक ऊर्जा-कुशल और तेज़ कंप्यूटर, सूचना स्थानांतरण और डेटा संग्रहण के मार्ग को प्रशस्त करने की क्षमता रखती है। यह इलेक्ट्रॉनिक्स में क्रांतिकारी संभावनाएँ दिखाती है, विशेष रूप से उन मशीनों में जो क्वांटम तकनीक का उपयोग करके निर्मित हैं, जो आमतौर पर शून्य के निकट तापमान (-273 डिग्री सेल्सियस) पर कार्य करती हैं।

गैर-चुंबकीय पदार्थों को चुंबकीय बनाना

नवीनतम अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट (SrTiO₃) का उपयोग किया, जो अत्यधिक रासायनिक रूप से प्रतिक्रियाशील स्ट्रॉन्शियम (Sr) और हल्के टाइटेनियम (Ti) का ऑक्साइड है। मानव रहने योग्य तापमान पर इसका पेरोव्स्काइट संरचना होती है और यह अपने उच्च डाइलेक्ट्रिक स्थिरांक के लिए जाना जाता है।

इस पदार्थ को उच्च-आवृत्ति वाले लेज़र की रोशनी के संपर्क में लाया गया, जिससे परमाणु हिल गए और गतिशील हुए। इससे स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट के भीतर विद्युत धारा उत्पन्न हुई, जिससे यह चुंबकीय बन गया।

उनके तरीके की नवीनता के बारे में बात करते हुए, अध्ययन के प्रमुख लेखक स्टेफ़ानो बोनेट्टी, स्टॉकहोम विश्वविद्यालय के भौतिक विज्ञानी, और Ca’ Foscari ने कहा कि यह:

“इस अवधारणा में प्रकाश को इस पदार्थ में परमाणु और इलेक्ट्रॉन को वृत्ताकार गति में ले जाने देना शामिल है, जिससे ऐसी धारा उत्पन्न होती है जो इसे रेफ्रिजरेटर के चुंबक जितना चुंबकीय बनाती है।”

गैर-चुंबकीय पदार्थ को चुंबकीय बनाना नया नहीं है; इसे पहले भी भविष्यवाणी किया गया था और अध्ययन किया गया है। 

2015 में, Nature ने प्रकाशित किया गया शोध यह खोजा कि तांबा और मैंगनीज़, दो सामान्य गैर-चुंबकीय धातुएँ, चुंबकों में बदली जा सकती हैं धातुओं की पतली फिल्म को कार्बन-आधारित कार्बनिक अणुओं के साथ मिलाकर। जबकि परिणाम कमरे के तापमान पर प्राप्त हुए, चुंबकत्व कमजोर था और कुछ दिनों के बाद समाप्त हो गया।

यह प्रयोग 1930 के दशक के सिद्धांत पर आधारित था, जिसे सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी एडमंड स्टोनर, यूनिवर्सिटी ऑफ लीड से, ने विकसित किया था, जिन्होंने यह जांचा कि किसी तत्व को चुंबकीय बनाना संभव क्यों होता है।

2020 में, एक शोध टीम ने भी गैर-चुंबकीय ऑक्साइड पदार्थों को संशोधित करके उन्हें चुंबकीय बनाया प्रत्येक पदार्थ की परत-दर-परत नियंत्रित वृद्धि के माध्यम से। उसी वर्ष, एक अन्य शोध समूह ने विद्युत का उपयोग करके गैर-चुंबकीय पाइराइट या आयरन सल्फाइड में चुंबकत्व को चालू किया। इस अध्ययन में उपयोग की गई तकनीक इलेक्ट्रोलाइट गेटिंग थी, जिसमें पाइराइट को इलेक्ट्रोलाइट (आयनिक तरल) के संपर्क में लाया गया और फिर एक वोल्ट की विद्युत लागू की गई, जिससे सकारात्मक चार्ज वाले अणु चले और मापने योग्य चुंबकीय बल उत्पन्न हुआ। इस मामले में, वोल्टेज बंद करने से चुंबकत्व भी बंद हो गया।

प्रकाश का उपयोग करके पदार्थ की विशेषताओं को बदलना भी कुछ समय से वैज्ञानिक ध्यान आकर्षित कर रहा है। 

वास्तव में, चुंबक और चुंबकीय क्षेत्र आमतौर पर परिपत्र धारा द्वारा उत्पन्न होते हैं। 2019 में, भौतिक विज्ञानी ने रैखिक ध्रुवीकृत प्रकाश से गैर-चुंबकीय धातु डिस्क को प्रकाशित किया, जिससे परिपत्र विद्युत धारा उत्पन्न हुई और डिस्क में स्वाभाविक रूप से चुंबकत्व उभरा। सिद्धांततः, यह विधि गैर-लोहे धातुओं को “ऑन-डिमांड” लेज़र प्रकाश से चुंबकों में बदल सकती है।

प्रकाश का उपयोग करके परमाणुओं को घुमाना और धारा उत्पन्न करना

मैक्रोस्कोपिक स्तर पर घूर्णन द्वारा उत्पन्न चुंबकत्व को बार्नेट प्रभाव कहा जाता है। इस प्रभाव के तहत, सामग्री को पूरी तरह घुमाया जाता है ताकि बिखरे हुए चुंबकीय पदार्थ के इलेक्ट्रॉनों की अंतर्निहित कोणीय घूर्णन संरेखित हो और उसके भीतर एक समग्र चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न हो।

नए प्रयोग में, गैर-चुंबकीय पदार्थों में परमाणु स्तर पर घूर्णन को वृत्ताकार ध्रुवीकृत लेज़र पल्सों पर निर्भर किया गया। ये पल्स पदार्थ के परमाणुओं को घुमाते हैं जिससे सामूहिक चिरल फोनीन उत्पन्न होते हैं, जो वृत्ताकार ध्रुवीकृत कंपन होते हैं और लेज़र की आवृत्ति के साथ प्रतिध्वनित होते हैं।

इसके लिए, फर-इन्फ्रारेड (FIR) में एक नया प्रकाश स्रोत विकसित किया गया, जो वृत्ताकार ध्रुवीकृत था, अर्थात इसका ‘कॉर्कस्क्रू’ आकार है। जब इस प्रकार का ध्रुवीकृत लेज़र प्रकाश किसी पदार्थ में प्रवेश करता है, तो वृत्ताकार ध्रुवीकरण उसके परमाणुओं को घुमा कर और परमाणु धारा उत्पन्न कर स्थानांतरित हो जाता है। यदि प्रकाश की आवृत्ति परमाणु के कंपन के समान होती है, तो प्रभाव बढ़ जाता है और परिणामस्वरूप काफी बड़ी चुंबकत्व उत्पन्न होती है। 

इस प्रकार, बोनेट्टी के नेतृत्व में अंतरराष्ट्रीय समूह द्वारा किए गए प्रयोग ने क्वांटम सामग्री स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट (SrTiO₃) को विशिष्ट तरंगदैर्घ्य और ध्रुवीकरण वाले तीव्र लेकिन अल्पकालिक लेज़र बीमों के संपर्क में लाया, जिससे चुंबकत्व उत्पन्न हुआ। 800 nm, पिकोसेकंड‑लंबाई के पल्स 100 µm फर‑इन्फ्रारेड लेज़र से उत्पन्न किए गए। 

विशेष रूप से, प्रोब पल्सों की केर घूर्णन मापी गई। टीम ने 160 से 360 K तक विभिन्न तापमानों का उपयोग किया। यह दिखा कि सबसे अधिक प्रतिक्रिया 280 K (7 °C) पर प्राप्त हुई। इस बिंदु पर, पल्सों का टेराहर्ट्ज़ विद्युत क्षेत्र सामग्री के पहले ऑप्टिकल फोनीन मोड के साथ प्रतिध्वनित था।

In this latest study published in Nature, the lead author Bonetti noted that it was the first time they were able to induce and see how the material actually becomes magnetic at room temperature clearly. 

This approach further allowed the team “to make magnetic materials out of many insulators, when magnets are typically made of metals,” he added.

Meanwhile, the degree of magnetization induced via the laser technique was measured using an established effect in which light reflects off a material differently depending on its magnetism.

In their experiment, the measurements showed that the material had become magnetic. However, the magnitude of induced magnetization based on known theoretical methods for calculating this quantity has been about four orders of magnitude greater than expected. This difference was ascribed to oversimplifications made by the physicists in their calculations. 

Another group of researchers used circularly polarized infrared laser pulses to temporarily induce a magnetic effect in a non-magnetic material. 

Scientists from Radboud University, Netherlands, in collaboration with Nihon University, Japan, did this, but instead of conventional broadband pulses, they used very narrow-band pulses from the FELIX free-electron lasers, which enabled them to better target particular lattice vibrations at resonance. They further used the created magnetization to switch a magnetic alloy’s magnetization.

According to these researchers, phononic resonance could be used as a new and fast way to write data to magnetic media. Changing the circularly polarized light’s rotation direction also allowed the team to change the direction of magnetization.

लेज़र प्रकाश का बढ़ता उपयोग

लेज़र प्रकाश का उपयोग तेजी से बढ़ रहा है। इस सप्ताह ही, वैज्ञानिकों ने एक नई खोज की: एक केंद्रित लेज़र बीम ठोस पदार्थ की चुंबकीय स्थिति को बदल सकता है, जो अल्ट्रा‑फास्ट कंप्यूटिंग मेमोरी में विशाल संभावनाएँ दर्शाता है।

इसके लिए, वैज्ञानिकों ने एक नया “तत्वीय” समीकरण तैयार किया जो प्रकाश के चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति और आयाम को एक चुंबकीय पदार्थ की ऊर्जा अवशोषण गुणों से जोड़ता है। अमीर कपुआ, हेब्रू विश्वविद्यालय, जेरूसलेम के भौतिक विज्ञान प्रोफेसर, के अनुसार:

“यह हमें ऑप्टिकल चुंबकीय रिकॉर्डिंग को पूरी तरह से पुनः विचार करने और एक घना, ऊर्जा‑कुशल, लागत‑कुशल ऑप्टिकल चुंबकीय संग्रहण उपकरण की दिशा में मार्गदर्शन करने की अनुमति देता है, जो अभी तक अस्तित्व में नहीं है।” 

इस तकनीक से भविष्य में तेज़ और अधिक कुशल MRAM घटकों का विकास होने की उम्मीद है। 

वैश्विक लेज़र तकनीक बाजार का आकार वास्तव में प्रोजेक्टेड है कि यह इस दशक के अंत तक $29.5 बिलियन तक बढ़ेगा, वर्तमान $20 बिलियन मूल्यांकन से। यह वृद्धि विभिन्न उद्योगों में लेज़र की व्यापक संभावनाओं के कारण है।

लेज़र एक ऑप्टिकल उपकरण है जो विकिरण उत्सर्जन को उत्तेजित करके प्रकाश की किरण उत्पन्न करता है। इस प्रकाश की उच्च तीव्रता, सुसंगतता, एकरंगीता और दिशा जैसी विशिष्ट विशेषताओं के कारण, लेज़र का उपयोग चिकित्सा, संचार, विज्ञान, सैन्य और कई अन्य क्षेत्रों में व्यापक रूप से किया जाता है। परिणामस्वरूप, लेज़र क्षेत्र में कई आविष्कार और प्रयोग हो रहे हैं।

हाल ही में, रोमानिया के वैज्ञानिकों ने दुनिया की सबसे शक्तिशाली लेज़र उत्सर्जना बनाई, जो सूर्य की शक्ति का एक‑दसवाँ हिस्सा है और पृथ्वी पर प्राप्त होती है। बुखारेस्ट के निकट एक केंद्र में स्थापित, फ्रेंच कंपनी थेल्स द्वारा संचालित, इस लेज़र की आउटपुट 10 पेटावॉट (10 क्वाड्रिलियन वाट) बताई गई है। यह शिखर केवल लगभग 25 फेम्टोसेकंड के अत्यंत छोटे अवधि के लिए और केवल तीन माइक्रोमीटर की चौड़ाई में प्राप्त हुआ।

वैज्ञानिक आशा करते हैं कि यह लेज़र स्वास्थ्य से लेकर अंतरिक्ष तक के क्षेत्रों में क्रांतिकारी प्रगति लाएगा। इस आविष्कार को परमाणु कचरे के उपचार और अंतरिक्ष मलबे की सफाई में भी लागू किया जा सकता है।

एक अन्य हालिया शोध में, RIKEN के भौतिक विज्ञानी बहुत छोटे लेज़र प्रकाश के पल्स प्राप्त किए, जिनकी शिखर शक्ति 6 ट्रिलियन वाट थी। यह शक्ति 6,000 परमाणु ऊर्जा संयंत्रों द्वारा उत्पन्न शक्ति के बराबर है। यह उपलब्धि अटॉसेकंड लेज़र विकसित करने में मदद करेगी, जो इलेक्ट्रॉनों के अध्ययन को सक्षम बनाते हैं। 

पिछले वर्ष, एनी L’Huillier, पियरे Agostini, और फ़ेरेंज़ Krausz को अटॉसेकंड (एक क्विंटिलियनवां सेकंड) प्रकाश के पल्स पर उनके शोध के लिए भौतिकी में नॉबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।

ये अल्ट्रा‑शॉर्ट लेज़र पल्स अत्यंत तेज़ प्रक्रियाओं को उजागर करने में मदद कर सकते हैं, जिससे वैज्ञानिकों को उन्हें पकड़ने और जांचने का एक शक्तिशाली साधन मिलता है। 

“इलेक्ट्रॉनों की गति को पकड़ना संभव बनाकर, अटॉसेकंड लेज़र ने मूल विज्ञान में एक बड़ा योगदान दिया है।”

– Eiji Takahashi, RIKEN उन्नत फोटॉनिक्स केंद्र के

इनका उपयोग चिकित्सा स्थितियों का निदान करने, जैविक कोशिकाओं का निरीक्षण करने और नई सामग्री विकसित करने के लिए किया जाने की उम्मीद है।

आगे आने वाले दशकों में लेज़र कैसे प्रमुख भूमिका निभाने वाले हैं, यह जानने के लिए यहाँ क्लिक करें।

लेज़र-प्रेरित चुंबकत्व की भविष्य की संभावनाएँ

ERC Synergy Grant और Knut और Alice Wallenberg Foundation द्वारा वित्त पोषित इस अध्ययन ने, जिसने कमरे के तापमान पर गैर‑चुंबकीय पदार्थों को चुंबकीय बनाया, यह बताया कि भौतिकी में पदार्थ का सामूहिक क्रम सबसे बुनियादी और आकर्षक घटनाओं में से एक है और गतिशील मल्टीफेरोक्सिटी को चुंबकत्व के उद्भव को वर्णित करने के लिए पेश किया गया है। 

“सरल शब्दों में, क्रिस्टल में आयनों की सुसंगत घूर्णन गति घूर्णन धुरी के साथ एक चुंबकीय क्षण उत्पन्न करती है,” यह कहा गया। 

इसी तंत्र के कारण, टीम ने क्लासिक पैराएलेक्ट्रिक पेरोव्स्काइट SrTiO₃ में चुंबकत्व प्रदर्शित किया। ये परिणाम पहले ही कई अन्य प्रयोगशालाओं में दोहराए जा चुके हैं।

हालाँकि, सामग्री का चुंबकत्व केवल लगभग एक ट्रिलियनवें सेकंड तक बना रहा। यह कंप्यूटर मेमोरी में उपयोग के लिए पर्याप्त समय नहीं था।

यह कहा जाए तो, यह एक शानदार शुरुआती बिंदु है जहाँ वैज्ञानिकों ने अंततः सिद्धांत को व्यावहारिकता में बदल दिया है। यह निश्चित रूप से महत्वपूर्ण तकनीकी अनुप्रयोगों की संभावनाएँ रखता है, जो अधिक शोध के साथ समय के साथ साकार होंगी।

शोध के अनुसार, प्रयोगात्मक निष्कर्ष चुंबकत्व नियंत्रण के लिए एक नया मार्ग दिखाते हैं। इसे प्रकाश का उपयोग करके लैटिस कंपन की सुसंगत नियंत्रण के माध्यम से अत्यंत तेज़ चुंबकीय स्विचों के लिए उपयोग किया जा सकता है।

इसके अलावा, जबकि इस अध्ययन की शुरुआत स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट से हुई है, भविष्य में अधिक जटिल पदार्थों की खोज की जा सकती है जो अपने चुंबकत्व को अधिक समय तक बनाए रख सकें। अब से आगे का रास्ता और अधिक रोमांचक खोजों की ओर है, जो कंप्यूटिंग उपकरणों में उपयोग के द्वार खोलेंगे।

जैसा कि अध्ययन के लेखक अलेक्ज़ेंडर Balatsky, NORDITA में भौतिकी के प्रोफेसर, ने कहा: 

“यह तेज़ सूचना स्थानांतरण, उल्लेखनीय रूप से बेहतर डेटा संग्रहण, और उन कंप्यूटरों के लिए उपयोग किया जा सकता है जो काफी तेज़ और अधिक ऊर्जा‑कुशल हों।”

इसलिए, जबकि परिणाम आशाजनक हैं और चुंबकत्व पर आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स और कंप्यूटिंग में बड़े सुधार ला सकते हैं, आगे का कार्य आवश्यक है।

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