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

क्वांटम कंप्यूटिंग कुछ विशिष्ट गणनाओं में पारंपरिक कंप्यूटरों से लाभ दे सकती है। यह क्वांटम अवस्थाओं और उनके हस्तक्षेप का उपयोग करती है; इसका अर्थ यह नहीं है कि वह हर जटिल समस्या आसानी से हल कर लेती है या सभी संभावित उत्तर सीधे पढ़ सकती है।

संभावित उपयोगों में अणुओं का अनुकरण, अनुकूलन और कुछ वैज्ञानिक गणनाएँ शामिल हैं। पर्याप्त बड़े और त्रुटि-सुधारित क्वांटम कंप्यूटर कुछ प्रचलित सार्वजनिक-कुंजी एन्क्रिप्शन प्रणालियों के लिए खतरा बन सकते हैं। क्वांटम संचार अलग क्षेत्र है, और वास्तविक प्रणालियों को सामान्य रूप से अटूट कहना उचित नहीं है।

क्वांटम हार्डवेयर, त्रुटि सुधार और क्लाउड सेवाओं में प्रगति हुई है। कुछ तकनीकों को अत्यंत कम तापमान चाहिए, जबकि सभी क्वांटम प्रणालियों की आवश्यकताएँ समान नहीं हैं। कमरे के तापमान पर किसी पदार्थ में चुंबकीय प्रभाव दिखाना अपने आप में कमरे के तापमान वाला उपयोगी क्वांटम कंप्यूटर बनाना नहीं है।

स्टॉकहोम विश्वविद्यालय, नॉर्डिक सैद्धांतिक भौतिकी संस्थान NORDITA, वेनिस के Ca’ Foscari विश्वविद्यालय और अन्य संस्थानों की टीम ने कमरे के तापमान पर स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट में प्रकाश-प्रेरित चुंबकीय प्रतिक्रिया दिखाई। यह विशिष्ट तंत्र का प्रदर्शन था, न कि प्रकाश से चुंबकत्व उत्पन्न करने का किसी भी परिस्थिति में पहला उदाहरण।

चुंबकत्व हार्ड डिस्क और कुछ विशेष मेमोरी तकनीकों में डेटा भंडारण के लिए महत्वपूर्ण है। लेकिन सभी कंप्यूटर मेमोरी छोटे विद्युतचुंबकों पर आधारित नहीं होती: DRAM और फ्लैश जैसी तकनीकें अलग विद्युत गुणों का उपयोग करती हैं। चुंबकीय अवस्थाओं का नियंत्रण भविष्य के कुछ उपकरणों के लिए उपयोगी हो सकता है।

अध्ययन में वृत्ताकार ध्रुवीकृत टेराहर्ट्ज़ स्पंदों से क्रिस्टल के कंपन को प्रेरित किया गया। इस प्रक्रिया से सामान्यतः गैर-चुंबकीय स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट में अस्थायी चुंबकीय प्रतिक्रिया देखी गई।

यह परिणाम तेज़ चुंबकीय स्विचों और डेटा भंडारण के अध्ययन के लिए उपयोगी हो सकता है। यह भविष्य की संभावना है, तैयार कंप्यूटर तकनीक नहीं। कुछ क्वांटम उपकरण परम शून्य, लगभग −273 °C, के निकट काम करते हैं; इस प्रयोग का परिणाम सभी ऐसी प्रणालियों में शीतलन की आवश्यकता समाप्त नहीं करता।

गैर-चुंबकीय पदार्थों को चुंबकीय बनाना

स्ट्रॉन्शियम टाइटेनेट, SrTiO₃, स्ट्रॉन्शियम, टाइटेनियम और ऑक्सीजन का यौगिक है। कमरे के तापमान पर इसकी पेरोव्स्काइट क्रिस्टल संरचना और बड़ा परावैद्युत स्थिरांक इसे पदार्थ-विज्ञान में महत्वपूर्ण बनाते हैं। इसकी विशेषताएँ केवल इसके घटक तत्वों के अलग-अलग गुणों से निर्धारित नहीं की जा सकतीं।

प्रकाश ने क्रिस्टल में आवेशित आयनों की सामूहिक घूर्णनात्मक गति प्रेरित की। इस परमाण्विक स्तर की गति से चुंबकीय प्रभाव उत्पन्न होता है; इसे तार में बहने वाली सामान्य विद्युत धारा के समान नहीं समझना चाहिए।

शोध का नेतृत्व करने वाले स्टेफ़ानो बोनेट्टी ने विधि की अवधारणा समझाते हुए कहा:

“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 में वर्णित शोध में पाया गया 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, लीड्स विश्वविद्यालय के, 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 लगभग एक वोल्ट का विभवांतर लगाया गया। इससे धनावेशित आयन इलेक्ट्रोलाइट और पदार्थ की सीमा की ओर गए और पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता बढ़ी, जिससे चुंबकत्व 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, भौतिकविदों ने सैद्धांतिक रूप से प्रस्तावित किया कि रैखिक ध्रुवीकृत प्रकाश से प्रकाशित गैर-चुंबकीय धातु की डिस्क में स्वतः वृत्ताकार विद्युत धारा और चुंबकत्व उत्पन्न हो सकते हैं। सिद्धांततः, यह विधि गैर-चुंबकीय 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 इलेक्ट्रॉनों के स्पिन कोणीय संवेग के संरेखण में बदलाव हो और उसके भीतर एक समग्र चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न हो।

वृत्ताकार ध्रुवीकृत स्पंदों ने क्रिस्टल के आयनों की सामूहिक गति को प्रेरित किया। ऐसी चिरल फोनॉन गति में आयनों का कंपन घूर्णनात्मक होता है। उपयुक्त आवृत्ति पर अनुनाद इस प्रभाव को बढ़ा सकता है।

टीम ने सुदूर अवरक्त या टेराहर्ट्ज़ क्षेत्र का वृत्ताकार ध्रुवीकृत प्रकाश इस्तेमाल किया। इसमें विद्युत क्षेत्र की दिशा समय के साथ घूमती है। क्रिस्टल के उपयुक्त कंपन से अनुनाद होने पर आयनों की गति और संबंधित चुंबकीय प्रतिक्रिया बढ़ सकती है।

प्रयोग में तीव्र, छोटे टेराहर्ट्ज़ पंप स्पंदों से पदार्थ को उत्तेजित किया गया और 800 nm के प्रकाशीय प्रोब से प्रतिक्रिया मापी गई। लगभग 100 µm सुदूर-अवरक्त तरंगदैर्घ्य और 800 nm प्रोब अलग भूमिकाएँ निभाते हैं; 800 nm स्पंद को 100 µm लेज़र से उत्पन्न पिकोसेकंड पंप बताना सही नहीं है।

टीम ने प्रोब प्रकाश के केर घूर्णन को मापा और 160–360 K के तापमानों पर प्रतिक्रिया की जाँच की। लगभग 280 K, यानी 7 °C, पर प्रबल प्रतिक्रिया मिली, जहाँ टेराहर्ट्ज़ उत्तेजना निम्नतम प्रकाशीय फोनॉन मोड के अनुनाद के करीब थी।

इस नेचर में प्रकाशित अध्ययन में टीम ने कमरे के तापमान पर चुंबकीय प्रतिक्रिया के स्पष्ट संकेत बताए। बोनेट्टी ने इसे इस विशिष्ट प्रकाश-प्रेरित तंत्र की प्रयोगात्मक पुष्टि के रूप में प्रस्तुत किया।

बोनेट्टी के अनुसार, यह दृष्टिकोण कुछ विद्युतरोधी पदार्थों में चुंबकीय गुण उत्पन्न करने की संभावनाएँ खोल सकता है। अलग-अलग पदार्थों में प्रभाव की शक्ति और अवधि की जाँच अभी आवश्यक है।

चुंबकीय प्रतिक्रिया का आकलन प्रकाशीय केर प्रभाव से किया गया। इसमें परावर्तित प्रोब प्रकाश के ध्रुवीकरण में बदलाव मापा जाता है।

मापी गई प्रतिक्रिया सरल सैद्धांतिक अनुमान से लगभग चार परिमाण-क्रम, यानी करीब 10,000 गुना, बड़ी थी। यह अंतर मॉडल की सीमाओं और अतिरिक्त भौतिक तंत्रों की जाँच की जरूरत बताता है; इसे केवल गणना की एक सिद्ध गलती कहना पर्याप्त नहीं है।

एक अलग शोध समूह ने भी वृत्ताकार ध्रुवीकृत अवरक्त स्पंदों से गैर-चुंबकीय पदार्थ में अस्थायी चुंबकीय प्रभाव उत्पन्न किया।

नीदरलैंड के Radboud विश्वविद्यालय और जापान के Nihon विश्वविद्यालय की टीम ने FELIX मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़र के संकीर्ण-बैंड स्पंदों से विशिष्ट क्रिस्टल कंपन को अनुनाद पर उत्तेजित किया। उन्होंने इस प्रभाव का उपयोग पास की चुंबकीय मिश्रधातु की चुंबकन दिशा बदलने में भी किया।

यह परिणाम फोनॉन अनुनाद के माध्यम से चुंबकीय माध्यम में डेटा लिखने की संभावित विधि दिखाता है। वृत्ताकार ध्रुवीकरण की दिशा बदलकर प्रेरित चुंबकन की दिशा भी बदली जा सकती थी।

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 लैंडाउ–लिफ्शिट्ज़–गिल्बर्ट समीकरण के आधार पर दिखाया कि ऑप्टिकल चुंबकीय क्षेत्र चुंबकन को प्रभावित कर सकता है। यह विश्लेषण प्रकाश के चुंबकीय क्षेत्र की आवृत्ति और आयाम को चुंबकीय पदार्थ की प्रतिक्रिया 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। 

लेज़र प्रौद्योगिकी बाजार के लिए एक व्यावसायिक पूर्वानुमान में दशक के अंत तक लगभग 29.5 अरब डॉलर का आकार बताया गया, जबकि आधार अनुमान करीब 20 अरब डॉलर था। ये लेख के समय के अनुमान हैं, प्राप्त परिणाम या निश्चित भविष्य नहीं।

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 10 पेटावॉट की शिखर शक्ति वाला लेज़र पल्स प्रदर्शित किया। बुखारेस्ट के निकट ELI-NP केंद्र में स्थापित इस लेज़र को फ्रांसीसी कंपनी थेल्स ने विकसित और निर्मित किया। इसकी शिखर आउटपुट शक्ति 10 पेटावॉट (10 क्वाड्रिलियन वाट) बताई गई है। यह शिखर केवल लगभग 25 फेम्टोसेकंड के अत्यंत छोटी 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। परमाणु कचरे के उपचार और अंतरिक्ष मलबे से जुड़ी संभावित तकनीकों पर भी शोध किया जा सकता है; ये स्थापित व्यावसायिक उपयोग नहीं हैं।

RIKEN के शोधकर्ताओं ने अत्यंत छोटे और ऊर्जावान लेज़र स्पंद बनाए, जिनकी शिखर शक्ति 6 ट्रिलियन वाट थी। यह क्षणिक शिखर लगभग 6,000 एक-गीगावाट परमाणु संयंत्रों की शक्ति के बराबर है, निरंतर उत्पादन या कुल ऊर्जा के बराबर नहीं। परिणाम अधिक शक्तिशाली अटॉसेकंड प्रकाश स्रोत विकसित करने में मदद कर सकता है।

वर्ष 2023 में ऐन लुइलिये, पियेर अगोस्तिनी और फेरेंत्स क्राउस को अटॉसेकंड प्रकाश स्पंदों पर प्रयोगात्मक विधियों के लिए भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला। एक अटॉसेकंड 10⁻¹⁸ सेकंड होता है।

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।”

– एइजी ताकाहाशी, RIKEN उन्नत फोटॉनिक्स केंद्र

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

यूरोपीय अनुसंधान परिषद के सिनर्जी अनुदान और नूट तथा ऐलिस वॉलेनबर्ग फाउंडेशन 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 मल्टीफेरोइसीटी 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 मूलभूत अनुसंधान की उपलब्धि है। तकनीकी अनुप्रयोग संभव हो सकते हैं, लेकिन उनकी व्यवहार्यता, स्थायित्व और लागत का आगे परीक्षण जरूरी है।

प्रकाश से क्रिस्टल कंपन नियंत्रित करने का यह तरीका अत्यंत तेज़ चुंबकीय स्विचों के अध्ययन के लिए नया मार्ग खोल सकता है। उपयोगी उपकरण बनाने के लिए प्रभाव को विश्वसनीय ढंग से नियंत्रित करना होगा।

आगे अन्य पदार्थों और संरचनाओं की जाँच की जा सकती है, जिनमें प्रभाव अधिक समय तक बना रहे। वर्तमान प्रयोग से स्थायी कंप्यूटर मेमोरी या व्यावसायिक कंप्यूटिंग उपकरण का प्रदर्शन नहीं हुआ है।

जैसा कि अध्ययन के लेखक अलेक्ज़ेंडर बालात्स्की, 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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