Be it artificial intelligence, development of pharmaceutical drugs or understanding climate change processes, quantum computers have the potential to dominate the future technological landscape when solving sophisticated tasks in a fraction of a second. This is enabled through Quantum Information Technology – a discipline which uses the counterintuitive principles of quantum mechanics to develop information processing. Just like any paradigm shifting technology, full implementation of quantum computing is currently facing challenges, solving which could be the key to advancement in the field. One of the key challenge has been addressed by Dr Evgeny Chekhovich from the University of Sheffield , Dr Ata Ul Haq from the Department of Physics at LUMS and their fellow researchers in their research paper entitled “Measurement of the spin temperature of optically cooled nuclei and GaAs hyperfine constant in GaAs/AlGaAs quantum dots”.
We would have to take a closer look at the core/building blocks of quantum information technology to understand the significance of this research paper. The secret to quantum computer’s power lies in its ability to generate and manipulate quantum bits, or qubits as they are called. The speed up in quantum computers is due to the ability of qubits to form quantum superposition of its own and entanglement with other qubits. These features arise from a property called quantum coherence. Quantum coherence is destroyed by the tiniest of fluctuations caused by thermal energy at high temperatures. Preparation of physical systems in which qubit exists at ultralow temperature is one of the key challenges in quantum information technology today. This is where the importance of this study comes in. This study uses quantum dots (QDs) which are nanoscale semiconducting structures also called as artificial atoms. Nuclear spins confined within gallium arsenide (GaAs) quantum dots (QDs) can act as a qubit. However, these spins fluctuate even at temperatures as low as a few kelvin. The main challenge is to align all the nuclear spins in a QD so that a quantum memory can be formed and, in the process, cool it down to a few milli kelvin temperature. The researchers of this paper have for the first time achieved the lowest temperature of a qubit system within a nanostructure. Its is also the first time that the temperature of a single nanoparticle has been measured experimentally. All this is achieved using a combination of sophisticated radiofrequency and optical pulses applied to a GaAs structure.   

The proposed methodology is a new approach in which the radiofrequency depolarization is performed on quantum dots. The role of the short optical readout pulse is to excite photoluminescence, a process in which a molecule absorbs a photon, excites an electron to a higher electronic state, and then radiates a photon as the electron returns to a lower state. This spectrum is then analysed to calculate the nuclear spin alignment (also called spin polarization) within a QD. Getting close to 100% polarization is ideal and the researchers of this paper observed up to 80% polarization in GaAs – the highest reported so far for optical cooling in QD. Previous research on polarization in diamond and Silicon Carbide (SiC) has been limited to 50-60% for the nuclei spins in quantum dots. The quantum dots spins are cooled down to 1.3 milli kelvin in the process, which is the lowest recorded temperature in nanostructures. The observations made by Dr. Ata Ul Haq and fellow researcher have not only unveiled the capabilities of GaAs, but also unlocked a route for further progress in achieving long qubit coherence through deep cooling of the mesoscopic nuclear spin ensemble.  

Internet in the palm of your hands; augmented reality to connect loved ones holographically; trucks without an engine. What’s next? A nano-camera? You guessed it! There are many reasons to collect light. We can’t touch and grab a distant galaxy to take a closer look inside its blindingly bright and ludicrously bright core, nor can we see the labyrinthine nature of the microcosm with our naked eyes. We require the cooperation and manipulation of captured light to do great things. One exciting prospect of this requirement is what makes up the recently published paper in the journal Applied Physics Letters. The first author is SBASSE’s own Shahzad Akhtar Ali, a student of Dr. Ata Ul Haq from the Department of Physics.

Nature speaks in mystifyingly ways. Shine a light on a crystal, carefully observe the light coming out the other end, deduce how photons toss and turn, spin and swivel as a result. Such berserk response from light can reveal plenty about the nature of the crystal. In other words, the way you react to situations tells a lot about who you are and what your nature could be like - an eerie similarity! Shahzad Akhtar Ali and his team of researchers studied the characteristics of crystals of molybdenum trioxide (MoO₃), also called alpha-molybdenum trioxide. Not just that, they studied layered crystals, which host a combination of hexaboron nitride together with MoO₃.

Their work, as intricate and complex as the materials they were working with, has to do with observing the twisting, turning, spinning, and swiveling (helicity) of photons as they came out the other end of these layered crystals called 2D materials. In this beautiful piece of work, it was revealed that alpha-molybdenum trioxide demonstrated very strong in-plane hyperbolicity, making it a strong candidate for possible nanophotonic applications, especially those requiring polarization control of photons. A prime method used in this study was Raman spectroscopy, which is an analysis technique that provides detailed information about chemical structure, phase and polymorphy, crystallinity and molecular interactions. On top of revealing so much about a compound, it is a non-destructive technique, making it the technique of choice when it comes to dealing with fragile samples.

Helicity is a thing of beauty. Almost complete helicity switching under Raman scattering points to strong phonon chirality around the high symmetry points in the Brillouin zone of the MoO₃ crystal, mentions the paper. The hyperbolic nature of flakes of α-MoO₃ makes them ideal candidates for nano-photonics applications apart from the highly rich physics of in-plane anisotropic phonon polariton. The chiral nature of the highly anisotropic phonons in this material system can play a crucial role in proposals, which combine this hyperbolicity with spin–orbit coupling resulting in novel surface plasmon modes. Thus, this makes it possible to fabricate nanometer-scale compact photonic devices! Consequently, these materials exhibit very high photon density of states, which enables the use of Purcell enhancement, which is at the heart of many schemes for interfacing quantum states of light and matter.

We congratulate Shahzad Akhtar Ali and his team who got their paper published in such a well reputed journal. We would also like to point out that all of the work by the first author was done using Dr. Ata Ul Haq’s lab, in the School. We wish them all the best for all their future work!

Reference: Shahzad Akhtar Ali, Abdullah Irfan, Aishani Mazumder, Sivacarendran Balendhran, Taimur Ahmed, Sumeet Walia, and Ata Ulhaq 

"Helicity-selective Raman scattering from in-plane anisotropic α-MoO₃", Appl. Phys. Lett. 119, 193104 (2021) https://doi.org/10.1063/5.0064464

یہ امر ایک مسلم حقیقت ہے کہ ارتقائے زندگی کا اہم ترین جزو ہونے کے ساتھ ساتھ روشنی بقائے حیات کے لیے بھی لازم ہے۔ سائنس کی ترقی اور کائنات کے پوشیدہ رازوں کو جاننے میں روشنی کا کلیدی کردار رہا ہے۔ اربوں کہکشاؤں کی وسعتوں میں پھیلے کھربوں ستاروں کے احوال اور ان میں رونما ہوتی حشر سامانیوں کی داستانیں سناتی یہ روشنی اپنی ساخت میں ایک سحر انگیز  کار گزار ہے۔ روشنی کی موج یا ذرّاتی ساخت سے متعلق تجربات و مشاہدات نے لگ بھگ تین سو برس وقت کے نامور سائنسدانوں کو انگشت بدنداں رکھا۔

بیسویں صدی میں کوانٹم میکانیات کی دریافت سے جہاں سائنس کی ترقی کے نئے دور کا آغاز ہوا وہیں روشنی اور اس سے جڑے نظریات بھی اس ارتقائی عمل سے محفوظ نہ رہے اور نتیجتاً کلاسیکی اور کوانٹم روشنی میں تفاوت کی صورت واضح ہوئی۔ یہ بات یہاں قابلِ ذکر ہے کہ روشنی کلاسیکی ہو یا کوانٹم، اس کے بنیادی ذرّے، یا توانائی کے پیکٹ، کو فوٹان ہی کہا جائے گا۔

کوانٹم میکانیات سے جُڑے انہی اسرار کی کھوج میں لمز یونیورسٹی کے سائنس اور انجینئرنگ سکول کے ڈین ڈاکٹر صبیح انور، ڈاکٹر علی اکبر اور طالبِ علم فیضان الہٰی نے کلاسیکی بصریات کے ایک مشہور رجحان کو کوانٹم روشنی سے جانچنے کا تجربہ کیا۔ کوانٹم روشنی کی افزائش ایک نان لینیئر کرسٹل سے کی گئی، جس میں قانون بقائے توانائی کو ملحوظ خاطر رکھتے ہوئے ایک خاص توانائی کا فوٹان دو کم توانائی والے فوٹانز میں تبدیل ہوتا ہے۔  ان میں سے ایک فوٹان کو مزید ایک ہمہ رخ کرسٹل مقناطیسی میدان کی موجودگی میں سے گزارا گیا اور روشنی کے تقطیبی خواص میں ہونے والی تبدیلی کا تجزیہ کیا گیا۔ اس تبدیلی کو گردشِ فاراڈے کہا جاتا ہے۔

یہ سائنسی کاوش اس لحاظ سے  بھی منفرد ہے کہ اس تجربے سے حاصل ہونے والے نتائج کو خالصتًا کوانٹم میکانکی اصولوں )کوانٹم پراسیس ٹوموگرافی( سے پرکھا گیا اور ایک سنگل فوٹان کی گردشِ فاراڈے کی پیمائش کی گئی۔ کلاسیکی اور کوانٹم میکانیات کا حسین امتزاج ثابت ہونے والا یہ تجربہ طبیعات کی تین مختلف شاخوں یعنی کلاسیکی بصریات، کنڈینسڈ مادہ اور کوانٹم انفارمییشن کا خوبصورت ملاپ بھی ہے۔

اردو کے نامور شاعر، ن م راشد نے کہا تھا:

“تمنا کی وسعت کی کس کو خبر ہے جہاں زاد”

مگر یوں لگتا ہے جیسے تمنا کی بھی وہی وسعت ہے جو روشنی کو میسر ہے۔

مصنف:
ڈاکٹر علی اکبر
پوسٹ ڈاکٹریٹ, شعبہ  طبیعیات

اس تحقیقی مقالہ کی مکمل تفصیلات:

Ali Akbar,  Faizan-e-Ilahi, Muhammad Sabieh Anwar, Quantum process tomography of a magneto-optic transformation, Physics Letters A, Volume 406, 2021, 127467, ISSN 0375-9601,

https://doi.org/10.1016/j.physleta.2021.127467

لمز کی فزلیب میں بطور پی ایچ ڈی طالبِ علم خدمات انجام دیتے ہوے، مزمل شاہ نے اپنے تحقیقی مقالے میں دو جہتی ٹوپولوجیکل مادے پر روشنی گرنے سے نت نئے بدلتے زاویوں کی تحقیق پیش کی۔ امید ہے کہ ایسی جانچ پڑتال سے بائیوسینسرز کے ارتقا میں جدت لائی جا سکے گی اور مقناطیسی قوت ناپنے والے آلات کو بھی مزید بہتر بنایا جا سکے گا۔

مزمل شاہ صاحب نے اپنی تحقیق میں اِن غیر معمولی مٹیریلز کا استعمال کیا جن کا ڈھانچہ تین پرتوں پر مشتمل ہوتا ہے۔ اس میں پہلی اور تیسری پرت، جس کو دو جہتی سطح تصور کیا جاتا ہے، نہایت باریک ہوتی (صرف ۵  تا ۱۰ نینومیٹرز موٹی) اور برقی اصالت کی خوبی رکھتی ہیں، جبکہ درمیانی تہہ غیر موصل ہوتی ہے۔ مزمل شاہ کی سیمولیشن میں اوپر اور نیچے والی دو جہتی سطح پر روشنی گرائی جاتی ہے جس کے انعکاس میں اہم معلومات چھپی ہوتی ہیں۔ مگر اس سیمولیشن میں مزمل صاحب نے ایک اور متغیر عنصر کا اضافہ کیا: یعنی مقناطیسی قوت۔ اس اضافی جز سے پیدا ہونے والی توانائی کو زیمین انرجی کہا جاتا ہے۔ پہلی اور تیسری پرتوں پر گرتی ہوئی روشنی مقناطیسی میدان میں اپنی تقطیب میں رد و بدل کرتی ہے۔ یہ گھومنے کا عمل دو طرح سے بیان کیا جاتا ہے۔ جب مادے پر روشنی گر کر واپس پلٹ جائے تو  اس کو گردشِ کر، جبکہ یہی عمل اگر اس طرح واقع ہو کہ روشنی مادے میں سے آر پار گزر جائے، تو اس کو گردشِ فاراڈے کہتے ہیں۔

مزمل شاہ نے دریافت کیا کہ ۵ ٹیسلا کے مقناطیسی میدان میں حیرت کن حد تک بڑی گردشِ کر دیکھی گئی۔ جبکہ اس طرح کے تجربات میں عمومی طور پر دوسرے مادوں میں گردش محض ۵ یا ۶ ڈگری تک ہوتی ہے۔ اس سیمولیشن میں یہ بڑھ کر ۱۵ ڈگری تک ناپی گئی امید ہے کہ یہ کھوج طبیعیات کے معروف مضمون کوانٹم تھیوری کے مزید کرشمات کو انسانی عقل و فہم کے قریب لانے میں مدد دے گی۔

یہ تحقیقی مقالہ ڈاکٹر صبیح انور، ڈاکٹر علی اکبر اور ڈاکٹر محمد ساجد کے تعاون سے مکمل کیا گیا۔ اس مقالے کی مکمل تفصیلات کے لیے درج ذیل لنک پر کلک کیجیے:

https://www.osapublishing.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-11-2-525&id=446949

M. Shah, A. Akbar, M. Sajid, and M. Sabieh Anwar, "Transitional Faraday and Kerr effect in hybridized topological insulator thin films," Opt. Mater. Express 11, 525-538 (2021).