Entangled biphoton enhanced double quantum coherence signal as a probe for cavity polariton correlations in presence of phonon induced dephasing

प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) की सूक्ष्म दुनिया में, पौधे और बैक्टीरिया केवल सूर्य के प्रकाश को अवशोषित ही नहीं करते; वे इसे ऊर्जा की एक तरंग के रूप में पकड़ते हैं जो अणुओं के एक नेटवर्क में फैल जाती है। ये नेटवर्क, जिन्हें क्वांटम एग्रीगेट्स (quantum aggregates) कहा जाता है, एक टीम के श्रमिकों की तरह काम करते हैं जो एक लाइन में पानी की बाल्टी आगे बढ़ाते हैं। इस प्रक्रिया की दक्षता इस बात पर निर्भर करती है कि ऊर्जा कितनी अच्छी तरह "तालमेल" (in step) बनाए रखती है जब वह आगे बढ़ती है, जिसे वैज्ञानिक 'कोहेरेंस' (coherence) कहते हैं। हालाँकि, वातावरण शोर भरा है। परमाणुओं का निरंतर कंपन, जो ऊष्मा द्वारा संचालित होता है, उन श्रमिकों से टकराती हुई भीड़ की तरह काम करता है, जिससे वे अपना ताल खो देते हैं और ऊर्जा एक ही स्थान पर फंस जाती है। ताल खोने की इस प्रक्रिया को 'डीफेजिंग' (dephasing) कहा जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि शोर के बावजूद इस ऊर्जा को कुशलतापूर्वक प्रवाहित कैसे रखा जाए। हाल ही में, एक नया उपकरण उभरा है: इन आणविक नेटवर्कों को एक ऑप्टिकल कैविटी (optical cavity) के भीतर रखना, जो प्रकाश को कैद करने वाला एक छोटा दर्पण बॉक्स है। यह सेटअप एक हाइब्रिड अवस्था बनाता है जहाँ प्रकाश और पदार्थ आपस में मिल जाते हैं, जिससे ऊर्जा के तेजी से या अधिक दूरी तक चलने की संभावना बढ़ जाती है। लेकिन यह देखना कि यह मिश्रण वास्तव में कैसे काम करता है, विशेष रूप से उन क्षणों में जब शोर सिग्नल को खराब कर देता है, वैज्ञानिकों को एक ऐसे प्रोब (probe) की आवश्यकता है जो उनके द्वारा उपयोग किए गए किसी भी लेजर की तुलना में अधिक सटीक और संवेदनशील हो।

मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर द स्ट्रक्चर एंड डायनेमिक्स ऑफ मैटर और फ्लैटिरॉन इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन प्रणालियों को देखने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। मानक लेजर पल्स का उपयोग करने के बजाय, वे एंटैंगल्ड फोटोन (entangled photons) के जोड़ों का उपयोग करने का सुझाव देते हैं। ये प्रकाश के कणों के जोड़े हैं जो अटूट रूप से एक-दूसरे से जुड़े हुए हैं, और एक ऐसा संबंध साझा करते हैं जो शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) को चुनौती देता है। जब एक का मापन किया जाता है, तो दूसरे की स्थिति तुरंत ज्ञात हो जाती है, चाहे दूरी कितनी भी हो। शोधकर्ताओं ने एक सैद्धांतिक प्रयोग डिजाइन किया ताकि यह देखा जा सके कि ये एंटैंगल्ड जोड़े कैविटी के भीतर फंसे एक प्रकाश संश्लेषक कॉम्प्लेक्स (photosynthetic complex) के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उनका लक्ष्य यह देखना था कि ऊर्जा विभिन्न उत्तेजना स्तरों (excitation levels) के बीच कैसे चलती है, विशेष रूप से उन क्षणभंगुर क्षणों पर ध्यान केंद्रित करना जब सिस्टम एक साथ ऊर्जा की दो इकाइयों को धारण करता है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने पाया कि इन एंटैंगल्ड जोड़ों का उपयोग करने से वैज्ञानिक उन विवरणों को देख सकते हैं जो पारंपरिक तरीकों के लिए पूरी तरह से अदृश्य हैं। एंटैंगल्ड प्रकाश एक सुपर-सेंसिटिव प्रोब के रूप में कार्य करता है, जो परमाणुओं के कंपन के कारण बाधित होने के बावजूद ऊर्जा अवस्थाओं के विभिन्न प्रकारों के बीच अंतर करने में सक्षम है।

शोधकर्ता एक विशिष्ट प्रकार के सिग्नल पर ध्यान केंद्रित करते हैं जिसे 'डबल क्वांटम कोहेरेंस' (double quantum coherence) कहा जाता है। सरल शब्दों में, इस तकनीक में आणविक प्रणाली पर इस तरह से प्रकाश डालना शामिल है जिससे एक ऐसी अवस्था उत्पन्न होती है जहाँ ऊर्जा के दो पैकेट एक साथ मौजूद होते हैं, और फिर उस अवस्था के विकास को देखा जाता है। एक सामान्य लेसर प्रयोग में, प्रकाश की पल्स स्वतंत्र होती है, और उनके द्वारा उत्पन्न सिग्नल अक्सर एक साथ होने वाली कई प्रक्रियाओं का एक धुंधला मिश्रण होता है। टीम के सिमुलेशन ने दिखाया कि एंटैंगल्ड फोटोन का उपयोग करके, वे सिग्नल के एक बहुत ही विशिष्ट हिस्से को अलग कर सकते हैं: एक ऊर्जा पैकेट वाली अवस्था और दो ऊर्जा पैकेट वाली अवस्था के बीच का संबंध। यह संबंध महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रकट करता है कि कैविटी ऊर्जा को एक अणु से दूसरे अणु तक जाने में कैसे मदद करती है। सिमुलेशन ने प्रदर्शित किया कि एंटैंगल्ड फोटोन कंपन करने वाले परमाणुओं के कारण होने वाले "शोर" को फ़िल्टर कर सकते हैं, जिससे शोधकर्ता उन अंतर्निहित सहसंबंधों (correlations) को देख पाते हैं जो ऊर्जा परिवहन को संचालित करते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक बहुत कम समय तक जीवित रहने वाली अवस्थाओं को देखने की क्षमता थी। सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने एक प्रकाश संश्लेषक कॉम्प्लेक्स का मॉडल बनाया जहाँ ऊर्जा अवस्थाएं लगातार फोनोन (phonons) द्वारा बाधित होती रहती हैं, जो अणु की संरचना के क्वांटटाइज्ड कंपन हैं। ये कंपन आमतौर पर एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में नाजुक क्वांटम संकेतों को मिटा देते हैं। हालाँकि, एंटैंगल्ड बाइफोटोन स्रोत इन अवस्थाओं के गायब होने से पहले उनकी गतिशीलता को पकड़ने में सक्षम था। टीम ने पाया कि एंटैंगल्ड प्रकाश ऊर्जा के उन विशिष्ट जोड़ों को चुनिकी रूप से उत्तेजित कर सकता है जो ऊर्जा में दूर हैं लेकिन समय में करीब हैं। यह एक मानक लेजर पल्स आसानी से नहीं कर सकता, क्योंकि एक मानक पल्स में प्रकाश का समय और रंग एक साथ बंधे होते हैं जो इसकी दृष्टि को सीमित करता है। इसके विपरीत, एंटैंगल्ड फोटोन एक लचीलापन प्रदान करते हैं जो शोधकर्ताओं को ठीक उन्हीं सहसंबंधों को ट्यून करने की अनुमति देता है जिनका वे अध्ययन करना चाहते हैं, भले ही वे सहसंबंध थर्मल शोर की परतों के नीचे दबे हों।

अध्ययन ने यह भी रेखांकित किया कि कैविटी सिस्टम के व्यवहार को कैसे बदलती है। जब अणुओं को कैविटी के भीतर रखा जाता है, तो कैविटी के भीतर फंसा प्रकाश अणुओं की ऊर्जा के साथ मिलकर 'पोलरिटोन' (polaritons) नामक नई हाइब्रिड अवस्थाएं बनाता है। शोधकर्ताओं के सिमुलेशन ने दिखाया कि ये पोलरिटोन केवल साधारण मिश्रण नहीं हैं; वे एक नया परिदृश्य बनाते हैं जहाँ ऊर्जा अलग तरह से प्रवाहित हो सकती है। एंटैंगल्ड फोटोन प्रोब ने खुलासा किया कि कैविटी ऊर्जा को पुनर्वितरित करने में मदद करती है, जिससे ऊर्जा के यात्रा करने के कुछ मार्ग अन्य मार्गों की तुलना में अधिक संभावित हो जाते हैं। यह पुनर्वितरण इतनी तेजी से होता है कि इसे मानक उपकरणों से ट्रैक करना असंभव है। एंटैंगल्ड फोटोन का उपयोग करके, टीम यह मानचित्रित कर सकी कि ऊर्जा अणु के विभिन्न हिस्सों के बीच कैसे चलती है, जिससे पता चला कि कैविटी एक मध्यस्थ के रूप में कार्य करती है जो ऊर्जा को आणविक कंपन के कारण होने वाली सामान्य बाधाओं को बायपास करने में मदद करती है।

शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक उल्लेख किया कि ये परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन से आए हैं, न कि प्रयोगशाला में किए गए किसी भौतिक प्रयोग से। उन्होंने सिस्टम का एक विस्तृत गणितीय मॉडल बनाया, जिसमें अणुओं के कंपन का विशिष्ट तरीका और कैविटी में प्रकाश के साथ उनकी परस्पर क्रिया शामिल है। उन्होंने अपने मॉडल को वास्तविक बनाने के लिए समान प्रकाश संश्लेषक परिसरों के वास्तविक डेटा पर आधारित पैरामीटर का उपयोग किया। हालांकि उन्होंने भौतिक रूप से प्रयोग नहीं बनाया, लेकिन सिमुलेशन एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं कि यदि ऐसा प्रयोग किया गया तो क्या होगा। परिणाम बताते हैं कि यदि वैज्ञानिक इस प्रयोग को स्थापित करते हैं, तो वे ऊर्जा हस्तांतरण पर कैविटी के प्रभाव के "फिंगरप्रिंट" को देख पाएंगे, एक ऐसा फिंगरप्रिंट जो वर्तमान में दृष्टि से ओझल है। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि उसने प्रकाश संश्लेषण में ऊर्जा परिवहन की समस्या को हल कर दिया है, बल्कि यह इसे देखने के लिए एक शक्तिशाली नया लेंस प्रदान करता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल पौधों को समझने तक ही सीमित नहीं हैं। जटिल, शोर वाले क्वांटम सिस्टम में ऊर्जा कैसे चलती है, इसे समझने की क्षमता सौर सेल और क्वांटम कंप्यूटरों के लिए नए पदार्थों के विकास के लिए प्रासंगिक है। यदि हम इन ऊर्जा प्रवाहों को नियंत्रित करना सीख जाते हैं, तो हम कृत्रिम प्रणालियों को डिजाइन करने में सक्षम हो सकते हैं जो प्रकृति के सर्वश्रेष्ठ तंत्र जितने ही कुशल हों। इस पेपर की मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि हम इन प्रणालियों को देखने के लिए जिस प्रकाश का उपयोग करते हैं, वह उन प्रणालियों के समान ही महत्वपूर्ण है। एंटैंगल्ड प्रकाश का उपयोग करके, हम उन चीजों को देख सकते हैं जो अन्यथा अदृश्य हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह दृष्टिकोण ऊर्जा अवस्थाओं के बीच सूक्ष्म संबंधों को पहचानने में विशेष रूप से अच्छा है, जो ऊर्जा के दीर्घकालिक संचलन के लिए आवश्यक हैं।

अंत में, यह पेपर एक नए प्रकार के स्पेक्ट्रोस्कोपी (spectroscopy) के लिए एक सैद्धांतिक प्रस्ताव प्रस्तुत करता है। यह एक ऐसी विधि है जो क्वांटम दुनिया के शोर को काटने के लिए एंटैंगल्ड प्रकाश के अद्वितीय गुणों का उपयोग करती है। सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह तकनीक कितनी संवेदनशील है कि यह ऊर्जा को आणविक नेटवर्क के माध्यम से स्थानांतरित करने में कैविटी की गतिशील भूमिका का पता लगा सकती है। यह प्रकट करता है कि कैविटी कैसे ऊर्जा के प्रवास में सहायता करती है, भले ही सिस्टम ऊष्मा से बाधित हो रहा हो। यह कार्य केवल वैज्ञानिक के टूलबॉक्स में एक नया उपकरण नहीं जोड़ता है; यह यह भी सुझाव देता है कि हम पदार्थ की क्वांटम गतिशीलता को कैसे देख और नियंत्रित कर सकते, इसमें एक मौलिक बदलाव आया है। प्रकाश और पदार्थ के बीच के सहसंबंधों पर ध्यान केंद्रित करके, और एक ऐसे प्रोब का उपयोग करके जो स्वयं एक क्वांटम वस्तु है, शोधकर्ताओं ने भौतिकी के एक ऐसे क्षेत्र में खिड़की खोल दी है जो पहले बहुत तेज़ और बहुत शोर भरा था। आगे का रास्ता इन सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को वास्तविक प्रयोगों में बदलने की ओर जाता है, जो एक ऐसा कदम हो सकता है जो क्वांटम क्षेत्र में ऊर्जा के संचलन के बारे में हमारी समझ में क्रांति ला दे।