Silicon carbide color centers
સિલિકોન કાર્બાઇડ રંગ કેન્દ્રો સિલિકોન કાર્બાઇડના સ્ફટિક જાળીમાં બિંદુ ખામી છે, જેને રંગ કેન્દ્રો તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ રંગ કેન્દ્રોના બહુવિધ ઉપયોગો છે, જેમાંથી કેટલાક ફોટોનિક્સ, સેમિકન્ડક્ટર્સ અને મેટ્રોલોજી અને ક્વોન્ટમ સંચાર જેવા ક્વોન્ટમ કાર્યક્રમોમાં છે. સામગ્રીમાં ખામીઓ ઘણાં બધાં ઉપયોગો ધરાવે છે, પરંતુ સિલિકોન કાર્બાઇડમાં ખામીઓ અથવા રંગ કેન્દ્રો નોંધપાત્ર હોવાનું કારણ આ રંગ કેન્દ્રોના ઘણા મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મોને કારણે છે. સામગ્રી તરીકે સિલિકોન કાર્બાઇડમાં સેકન્ડ-ઓર્ડર બિનરેખીયતા, તેમજ ઓપ્ટિકલ પારદર્શિતા અને ઓછું બે-ફોટોન શોષણ હોય છે. આ સિલિકોન કાર્બાઇડને ઘણી વસ્તુઓ માટે વૈકલ્પિક મંચ તરીકે વ્યવહારુ બનાવે છે, જેમાં નેનોફેબ્રિકેશન, સંકલિત ક્વોન્ટમ ફોટોનિક્સ અને મોટા પાયે વેફર્સમાં ક્વોન્ટમ સિસ્ટમ્સનો સમાવેશ થાય છે પરંતુ તે મર્યાદિત નથી. સિલિકોન કાર્બાઇડ રંગ કેન્દ્રો બનાવવા માટે મુખ્યત્વે ત્રણ પદ્ધતિઓ છે. ત્રણ પદ્ધતિઓ ઇલેક્ટ્રોનિક ઇરેડિયેશન, આયન ઈન્જેક્શન અને ફેમ્ટોસેકન્ડ લેસર લેખન છે. ઇલેક્ટ્રોનિક ઇરેડિયેશન આ તકનીક સામગ્રીને ઇલેક્ટ્રોન બીમમાં ખુલ્લા પાડીને કામ કરે છે જે અત્યંત આયનીકરણ કરે છે. આ સામગ્રીમાં જ ઇલેક્ટ્રોનને બંધ કરે છે, જે રંગ કેન્દ્રો (અથવા ખામીઓ) પેદા કરે છે. જો કે, આ પ્રક્રિયામાં મોટા પ્રમાણમાં ઊર્જાની જરૂર પડે છે, જેમાં 9MeV સામાન્ય રીતે મોટાભાગની સામગ્રીમાં ઊર્જાની નીચી મર્યાદા હોય છે. આયન ઈન્જેક્શન આયન ઈન્જેક્શનનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે સેમિકન્ડક્ટર્સને ડોપ કરવા માટે થાય છે, પરંતુ તેનો ઉપયોગ રંગ કેન્દ્રો બનાવવા માટે પણ થઈ શકે છે. સામાન્ય રીતે એમ. ઇ. વી. શ્રેણીમાં આયનને પ્રથમ ચોક્કસ ઊર્જા તરફ વેગ આપવામાં આવે છે. આ આયનને પછી સામગ્રીમાં વેગ આપવામાં આવે છે, જે પછી સામગ્રીમાં આયનને રોપવામાં આવે છે, સામગ્રીની રચનામાં ફેરફાર કરે છે, જે રંગ કેન્દ્ર બનાવી શકે છે. ફેમ્ટોસેકન્ડ લેસર લેખન બિનરેખીય લેસર લેખન પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને, યોગ્ય વિચલન સુધારણા સાથે, સ્ફટિકમાં કોઈપણ ઊંડાઈએ ખામીઓ પેદા કરી શકાય છે. આ પ્રક્રિયા સ્પિન અને ઓપ્ટિકલ સુસંગતતા ગુણધર્મોને જાળવી રાખે છે. તે જે રીતે કામ કરે છે તે ફેમ્ટોસેકન્ડ લેસર પ્રક્રિયામાંથી મલ્ટિપોટોન આયનીકરણથી છે. ખામી બનાવવાની આ પદ્ધતિ માત્ર સિલિકોન કાર્બાઇડ માટે જ કામ કરતી નથી, પરંતુ અન્ય સામગ્રી માટે પણ કામ કરી શકે છે. ખામીઓ માટે અન્ય પ્રકારના બનાવટમાં ન્યુટ્રોન ઇરેડિયેશન, પ્રોટોન ઇરેડિયેશન અને કેન્દ્રિત સી બીમ છે. હાલમાં, ઉપયોગમાં લેવાતી ઊર્જા અથવા પ્રક્રિયાની જટિલતાને ઘટાડવા માટે બનાવટની નવી પદ્ધતિઓનો પણ પ્રયોગ કરવામાં આવી રહ્યો છે. નવી પદ્ધતિઓમાંની એક નેનોસેકન્ડ લેસર સાથે લેસર લેખન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવાની નવી પદ્ધતિ છે. ખામીના પ્રકારો સિલિકોન કાર્બાઇડમાં બહુવિધ પ્રકારની ખામીઓ હોય છે, જેમાંથી કેટલીક નીચે સૂચિબદ્ધ છેઃ વી. એસ. આઈ. (-) (ટીવી1-ટીવી3) વી. એસ. આઈ. વી. સી. (0) ડી. વી. (0) કે. આઈ. 5 સી. એ. વી. (કાર્બન એન્ટી-સાઇટ-વેકેન્સી જોડી) સી. આઈ. સી. (ડી. 1) એન. સી. વી. એસ. આઈ. (-) સંક્રમણ ધાતુ રંગ કેન્દ્રોઃ ટી. આઈ. (0) સી. આર. 3 + વી. (-), વી. (0) એમ. ઓ. (0) ઇ. આર. 3 + ક્યૂબિટ તરીકે ટીવી1 પર અભ્યાસો કરવામાં આવ્યા છે, જે ટીવી2 કરતા વધુ સારું સ્પિન-ફોટોન ઇન્ટરફેસ પ્રદાન કરે છે. જોકે તાજેતરમાં, ક્યુબિટ તરીકે વી. એસ. આઈ. (-) ની ભૂમિકાની સંપૂર્ણ ઓળખ કરવામાં આવી છે. એપ્લિકેશન્સ ફોટોનિક્સ તાજેતરમાં, સિલિકોન કાર્બાઇડમાં આ રંગ કેન્દ્રોએ બિન-શાસ્ત્રીય પ્રકાશ સ્રોતો માટે શ્રેષ્ઠ સિંગલ-ફોટોન ઉત્સર્જકોમાંથી એક બનવાનું વચન દર્શાવ્યું છે. પરંપરાગત રીતે, ક્ષીણ લેસરો સિંગલ-ફોટોન સ્રોતોનો વિકલ્પ રહ્યા છે. આ ક્વોન્ટમ ક્રિપ્ટોગ્રાફી માટે કામ કરે છે, પરંતુ તે આંશિક વિકલ્પ છે, અને અંતે આ સિંગલ-ફોટોન સ્રોતોનો વિકલ્પ ન હતો કારણ કે તેઓ સિંગલ ફોટોન ઉત્પન્ન કરતા નથી. સામાન્ય રીતે, એક ફોટોન ઉત્પન્ન કરવાની બે મુખ્ય પદ્ધતિઓ છેઃ સ્વયંસ્ફુરિત પેરામેટ્રિક ડાઉન-કન્વર્ઝન અને એપિટેક્સિયલ ક્વોન્ટમ બિંદુઓ. સ્વયંસ્ફુરિત પેરામેટ્રિક ડાઉન-કન્વર્ઝનમાં, એક ફોટોન પ્રતિ સેકન્ડ 106 ફોટોનના દરે ઉત્પન્ન થઈ શકે છે. આ અભિગમની ખામી એ છે કે માંગ પર એક જ ફોટોન ઉત્પન્ન કરવાની કોઈ રીત નથી. આનાથી આ પ્રકારની પેઢીનો વ્યવહારીક રીતે ઉપયોગ કરવો મુશ્કેલ બને છે. જ્યારે વિદ્યુત પંપીંગ હેઠળ મૂકવામાં આવે ત્યારે એપિટેક્સિયલ ક્વોન્ટમ બિંદુઓ અપવાદરૂપે એક જ ફોટોન ઉત્પન્ન કરે છે. જો કે આ ખૂબ જ નીચા તાપમાને કામ કરે છે, જે આ એપ્લિકેશનોને પ્રયોગોમાં વ્યવહારીક રીતે કરવાનું પણ મુશ્કેલ બનાવે છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ, હીરા અને અન્ય સંબંધિત સામગ્રીમાં રંગ કેન્દ્રો ઉચ્ચ તાપમાનને કારણે અન્ય બે પરંપરાગત અભિગમો કરતાં વધુ વ્યવહારુ હશે જે તેઓ ઓપ્ટિકલ અને ઇલેક્ટ્રિકલ પંપીંગ હેઠળ કામ કરી શકે છે. સેમિકન્ડક્ટર્સ સિલિકોન કાર્બાઇડનો ઉપયોગ હાલમાં સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં પહેલેથી જ થઈ રહ્યો છે, કારણ કે તે પૂરક મેટલ-ઓક્સાઇડ-સેમિકન્ડક્ટર સુસંગત સામગ્રી તરીકે ઓળખાતી સામગ્રીના પરિવાર સાથે સંબંધિત છે, તેમજ ઉચ્ચ ગુણવત્તાની સિંગલ ક્રિસ્ટલ વેફર્સના નિર્માણમાં તેની વિશ્વસનીયતા છે. વ્યાખ્યા મુજબ સેમિકન્ડક્ટર્સમાં પહેલેથી જ બિંદુ ખામીઓ હોવાથી, કેટલાકનો ઉપયોગ સિંગલ-ફોટોન સ્રોતો જેવા હેતુઓ માટે થઈ શકે છે. સિલિકોન કાર્બાઇડ રંગ કેન્દ્રોના ક્વોન્ટમ ગુણધર્મો જ્યારે એકલ ખામી સ્તર પર અભ્યાસ કરવામાં આવે છે, ત્યારે એકલ ઉત્સર્જકોને અલગ કરી શકાય છે. આના પરિણામે, ક્વોન્ટમ ક્રિપ્ટોગ્રાફી પ્રોટોકોલમાં કાર્યક્રમો માટે સિલિકોન કાર્બાઇડ રંગ કેન્દ્રોનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. આનું એક ઉદાહરણ 2014 માં હીરામાં નાઇટ્રોજન-વેકેન્સી કેન્દ્રો પર એક અભ્યાસ હતું, જે સિલિકોન કાર્બાઇડમાં રંગ કેન્દ્રો જેવું જ છે, જેણે હીરામાં કેવી રીતે નાઇટ્રોજન-વેકેન્સી રંગ કેન્દ્રો હતા તેના પર નવીન પરિણામો દર્શાવ્યા હતા, જે પણ ફ્લોરોસન્ટ અશુદ્ધિઓ છે જે ઘણી એપ્લિકેશનો ધરાવે છે ઇલેક્ટ્રોન સ્પિન સ્થિતિ અને સિંગલ ફોટોન ક્વોન્ટમ સ્થિતિ વચ્ચે ક્વોન્ટમ ગૂંચવણ ત્યારે થાય છે જ્યારે બે શરતો પૂર્ણ થાય છેઃ એક જ ફોટોનની ક્વોન્ટમ સ્થિતિ સિલિકોન કાર્બાઇડ રંગ કેન્દ્રોની ઇલેક્ટ્રોન સ્પિન સ્થિતિ સાથે સહસંબંધિત થઈ શકે છે આ સહસંબંધ રંગ કેન્દ્રોમાં નજીકના પરમાણુ સ્પિનમાં સંગ્રહિત કરવામાં સક્ષમ છે આ ક્વોન્ટમ ગૂંચવણ ક્વોન્ટમ નેટવર્કની રચનાને મંજૂરી આપે છે, જે ક્વોન્ટમ સંચાર, ક્વોન્ટમ મેમરી અને મેટ્રોલોજી તરફ દોરી જાય છે. ક્વોન્ટમ સેન્સિંગ જ્યારે રંગ કેન્દ્રોને પ્રથમ ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં લાવવામાં આવે છે, ત્યારે ઉત્તેજિત સ્થિતિમાંથી જમીનની સ્થિતિઓમાં ક્ષયમાંથી ફોટોન ઉત્સર્જિત થઈ શકે છે. આ ફોટોન પછી સ્થિર અને ચલ ચુંબકીય ક્ષેત્રોના અન્ય સ્રોતો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે. આના પરિણામે, સ્પિન સંક્રમણ આવર્તન અને સુસંગતતા સમય બદલાય છે, જે પછી આ અસરનો ઉપયોગ ક્વોન્ટમ સેન્સિંગમાં થાય છે. હીરાના રંગ કેન્દ્રો સાથે સરખામણી મોટાભાગનું રંગ કેન્દ્ર સંશોધન મૂળરૂપે સિલિકોન કાર્બાઇડને બદલે હીરાનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું. સરખામણી કરવા માટે, હીરામાં નાઇટ્રોજન-વેકેન્સી સિલિકોન કાર્બાઇડમાં ડાઇવેકેન્સી સમાન ક્વોન્ટમ ગુણધર્મો ધરાવે છે. હીરાની ખાલી જગ્યા સંભવિત રીતે સિલિકોન કાર્બાઇડ કરતાં વધુ સારી ક્વોન્ટમ ગુણધર્મો ધરાવે છે, પરંતુ સિલિકોન કાર્બાઇડ અને તેના રંગ કેન્દ્રોનો એક મોટો ફાયદો એ છે કે હીરાની સરખામણીમાં માપનીયતામાં વધારો અને ઉત્પાદનમાં વધુ સરળતા. વધુમાં, સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉત્પાદનમાં જટિલતાઓથી પીડાતું નથી જેમ કે ઇરેડિયેશન દરમિયાન ગ્રેફાઇટાઇઝેશન જે હીરાના રંગ કેન્દ્રના ઉત્પાદન દરમિયાન શક્ય છે. સંદર્ભો વિકિપીડિયા વિદ્યાર્થી કાર્યક્રમ સ્ફટિકશાસ્ત્રીય ખામીઓ