شکاگو یونیورسٹی اور ارگون نیشنل لیبارٹری کے محققین کے زیرقیادت ایک نئے نظریاتی مطالعہ نے ان خوردبینی میکانزم کی نشاندہی کی ہے جس کے ذریعے ہیرے کی سطحیں نائٹروجن-خالی (NV) مراکز-ہیرے میں موجود نقائص کے کوانٹم ہم آہنگی کو متاثر کرتی ہیں جو آج کے کچھ انتہائی حساسیت کے حامل ہیں۔ مطالعہ میں شائع ہوا ہےفزیکل ریویو میٹریلزاور ایڈیٹرز کے تجویزی کاغذ کے لیے منتخب کیا گیا۔
شکاگو یونیورسٹی آف پرٹزکر سکول آف مالیکیولر انجینئرنگ (UChicago PME) کی پروفیسر اور ارگون نیشنل لیبارٹری کی سینئر سائنس دان Giulia Galli نے کہا، "ایک طویل-چیلنج یہ سمجھ رہا ہے کہ کیوں اتلے NV مراکز اتنی جلدی ہم آہنگی کھو دیتے ہیں۔" "پہلے-اصولوں کو کوانٹم ڈائنامکس سمولیشنز کے ساتھ سطحی ماڈلز کو جوڑ کر، ہم سمجھ گئے کہ ڈیکوہرنس کا مجرم صرف یہ نہیں ہے کہ کون سے گھماؤ ہیرے کی سطح پر رہتے ہیں، بلکہ وہ کیسے حرکت کرتے ہیں: سطح کا شور متحرک ہے۔"
مطالعہ کے نتائج انجینئرنگ ڈائمنڈ سطحوں کے لیے واضح، فزکس-کی بنیاد پر رہنما خطوط فراہم کرتے ہیں جو کوانٹم ہم آہنگی کو محفوظ رکھنے میں مدد کرتے ہیں، جو کوانٹم سینسنگ اور ابھرتی ہوئی کوانٹم انفارمیشن ٹیکنالوجیز کے لیے ایک اہم ضرورت ہے۔
NV مراکز ہیرے میں جوہری-پیمانے کے نقائص ہیں جن کی کوانٹم اسپن حالتوں کو شروع کیا جا سکتا ہے، کنٹرول کیا جا سکتا ہے اور کمرے کے درجہ حرارت پر بصری طور پر پڑھا جا سکتا ہے۔ جب ہیرے کی سطح کے قریب رکھا جائے تو NV مراکز مالیکیولز، مواد اور حیاتیاتی نظام سے انتہائی کمزور مقناطیسی اور برقی سگنلز کا پتہ لگا سکتے ہیں۔ پھر بھی یہ قربت انہیں سطح سے متعلقہ شور سے بھی بے نقاب کرتی ہے، جیسے کہ اتار چڑھاؤ پیرا میگنیٹک نقائص اور چارج یا برقی- فیلڈ شور، جو ان کی کوانٹم ہم آہنگی کو تیزی سے کم کرتا ہے اور سینسر کی کارکردگی کو محدود کرتا ہے۔
UChicago PME Ph.D نے کہا، "ادب میں، سطح کے شور کی ابتداء کو اکثر 'X spins' یا 'Dark spins' کہا جاتا ہے، کیونکہ شور کی درست خوردبینی نوعیت کو نہیں سمجھا جاتا تھا، اور یہ آپٹیکل طور پر غیر فعال جگہوں سے پیدا ہو سکتا ہے،" UChicago PME Ph.D نے کہا۔ امیدوار جونا ناگورا، مطالعہ کے لیڈ مصنف۔ "ہماری تحقیق اس بات کی نشاندہی کرنے میں مدد کرتی ہے کہ سطح پر کیا شور ہے اور شور کو ختم کرنے کے لیے راستہ طے کرتا ہے تاکہ کوئی زیادہ جدید، طاقتور کوانٹم سینسر بنا سکے۔"
اس کام میں، محققین نے ہیرے کی سطحوں کے کثافت فنکشنل تھیوری-کی بنیاد پر جوہری ماڈلز کو اعلی درجے کی کوانٹم ڈیکوہرنس سمیلیشنز کے ساتھ ملایا تاکہ سطحی شور کے غالب میکانزم کی شناخت اور اسے الگ کیا جا سکے۔
ناگورا نے کہا، "ہیرے کی سطحوں کو سینسنگ ایپلی کیشنز کے لیے تیار کرنے کے عمل کے دوران، سطح کے ناپسندیدہ نقائص پیدا ہو سکتے ہیں، جس میں ہم ڈینگلنگ بانڈز کہتے ہیں۔" "ان میں سے کچھ نقائص غیر جوڑی والے الیکٹرانوں، پیرا میگنیٹک اسپنز کی میزبانی کر سکتے ہیں جو وقت کے ساتھ ساتھ اتار چڑھاؤ آتے ہیں اور مقناطیسی شور پیدا کرتے ہیں جو NV مرکز کو پریشان کر دیتے ہیں۔ یہ شور NV کی ہم آہنگی کو کم کر سکتا ہے اور ہدف کے کمزور اشاروں کو غیر واضح کر سکتا ہے جن کی پیمائش کرنا چاہتا ہے۔"
مطالعہ سے پتہ چلتا ہے کہ جس طرح سے سطح کو کیمیائی طور پر ختم کیا جاتا ہے، اس کا NV ہم آہنگی پر گہرا اثر پڑتا ہے۔ ناگورا کے حساب سے پتہ چلتا ہے کہ آکسیجن- اور نائٹروجن-ختم شدہ سطحیں بڑی حد تک قریب-بلک ہم آہنگی کو محفوظ رکھتی ہیں یہاں تک کہ NV مراکز کے لیے سطح سے صرف چند نینو میٹر نیچے ہیں۔ اس کے برعکس، ہائیڈروجن- اور فلورین-ختم شدہ سطحیں بہت زیادہ مضبوط سطح سے متعلق-مقناطیسی شور متعارف کراتی ہیں، جو ہم آہنگی کے اوقات کو کافی حد تک مختصر کرتی ہے۔
"تاہم، جب کہ ختم ہونے والی کیمسٹری اور پہلوؤں کی واقفیت اہمیت رکھتی ہے، ہم نے پایا کہ یہ سطح-الیکٹران کی نرمی اور ہاپنگ ہے جو اتلی NVs کے ہم آہنگی پر حاوی ہے،" ناگورا نے کہا۔
"سطح پر موجود الیکٹران اسپن ان ہی لیزر دالوں کے ساتھ تعامل کرتے ہیں جو NV مرکز کو ہیرا پھیری اور پڑھنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ لیزر لائٹ سطح کی چارج حالت میں تبدیلیاں لا سکتی ہے، جس کی وجہ سے غیر جوڑ والے الیکٹران مختلف جوہری مقامات کے درمیان ہاپ کر سکتے ہیں۔ یہ حرکت اضافی وقت-مختلف مقناطیسی میدان پیدا کرتی ہے جس کے نتیجے میں کوئی اضافی چیز پیدا نہیں ہوتی۔"
غالب مائیکروسکوپک شور چینلز کی نشاندہی کرکے، مطالعہ NV-کی بنیاد پر کوانٹم آلات کو بہتر بنانے کے لیے ایک روڈ میپ فراہم کرتا ہے، جس میں کوانٹم سینسنگ اور انفارمیشن پروسیسنگ کے لیے براہ راست اثرات ہوتے ہیں۔
ناگورا نے کہا، "ایک بار جب ہم سطح پر الیکٹران کی حرکت کا حساب لگاتے ہیں، تو نظریہ اور تجربہ آخر کار ایک دوسرے کے ساتھ کھڑا ہو جاتا ہے۔"
