Rotation-mediated bosonic Josephson junctions in position and momentum spaces

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ परमाणु, जो परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान पर ठंडे किए गए हैं, व्यक्तिगत कणों के रूप में नहीं बल्कि पदार्थ की एक एकल, एकीकृत तरंग के रूप में व्यवहार करते हैं। इस अवस्था में, जिसे बोस-आइंस्टीन कंडेंसेट (Bose-Einstein condensate) के रूप में जाना जाता है, ये परमाणु बिना घर्षण के बह सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक सुपरफ्लुइड (superfluid) बहता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात से मंत्रमुग्ध रहे हैं कि जब ये तरंगें किसी बाधा का सामना करती हैं, तो वे कैसे चलती हैं, विशेष रूप से जब वे दो अलग-अलग घाटियों या "वेल" (wells) वाले परिदृश्य में फंसी होती हैं। यदि दो घाटियों के बीच की बाधा पर्याप्त कम है, तो परमाणु इसके माध्यम से टनल (tunnel) कर सकते हैं, जिससे वे एक लयबद्ध आदान-प्रदान में आगे-पीछे चलते हैं। यह घटना, जिसे जोसेफसन प्रभाव (Josephson effect) कहा जाता है, क्वांटम भौतिकी का एक आधार स्तंभ है और पहले से ही अत्यधिक संवेदनशील उपकरणों और क्वांटम कंप्यूटरों में उपयोग की जा रही है। दशकों से, शोधकर्ताओं ने उस भौतिक स्थान में इस प्रभाव का अध्ययन किया है जहाँ परमाणु स्थित होते हैं, और उन्हें एक ट्रैप के एक तरफ से दूसरी ओर कूदते हुए देखा है। हालाँकि, अब एक नया क्षितिज उभर कर आया है: क्या होगा यदि टनलिंग भौतिक स्थान में नहीं, बल्कि संवेग (momentum) के स्थान में होती है, जो यह बताता है कि परमाणु कितनी तेजी से और किस दिशा में चल रहे हैं? अब तक, इस तरह की संवेग-आधारित टनलिंग बनाने के लिए विशिष्ट आंतरिक चुंबकीय गुणों वाले परमाणुओं वाले जटिल सेटअप की आवश्यकता होती थी।

हैफ़ा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक बहुत ही सरल प्रणाली का उपयोग करके इस मायावी संवेग-आधारित टनलिंग को बनाने का एक तरीका खोज लिया है: एक ही प्रकार का परमाणु जिसमें कोई विशेष चुंबकीय गुण नहीं हैं, बस पूरे ट्रैप को घुमाकर। अपने अध्ययन में, उन्होंने दोहरी-वेल (double-well) ट्रैप में सीमित दस परस्पर क्रिया करने वाले परमाणुओं के बादल का अनुकरण (simulate) किया और पूरे सिस्टम को घुमाया। उन्होंने पाया कि जबकि ट्रैप को बहुत तेज़ी से घुमाना आमतौर पर परमाणुओं को भौतिक वेल्स के बीच जाने से रोकता है, जिससे वे एक जगह फंस जाते हैं, एक चतुर समायोजन से इस बाधा को दूर किया जा सकता है। स्पिन द्वारा उत्पन्न बलों का मुकाबला करने के लिए ट्रैप की ज्यामिति (geometry) को थोड़ा संशोधित करके, वे भौतिक वेल्स के बीच परमाणुओं के प्रवाह को बहाल करने में सक्षम रहे। अधिक आश्चर्यजनक रूप से, इसी घूर्णन ने एक दूसरा, अदृश्य टनलिंग चैनल भी बना दिया। जैसे-जैसे सिस्टम घूमता गया, परमाणु न केवल भौतिक स्थानों के बीच, बल्कि गति के पार्श्व (sideways) दिशा में दो अलग-अलग अवस्थाओं के बीच भी दोलन (oscillate) करने लगे। घूर्णन ने प्रभावी रूप से परमाणुओं के संवेग को दो अलग-अलग "वेल्स" में विभाजित कर दिया, जिससे गति के क्षेत्र में एक जोसेफसन जंक्शन बन गया।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले यह देखने से शुरुआत की कि जब एक दोहरी-वेल ट्रैप को बिना किसी विशेष समायोजन के केवल घुमाया जाता है तो क्या होता है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे घूर्णन की गति बढ़ी, परमाणुओं के लिए ट्रैप के एक तरफ से दूसरी तरफ टनल करना कठिन होता गया। एक विशिष्ट क्रिटिकल स्पीड पर, टनलिंग पूरी तरह से रुक गई, और परमाणु बाएं वेल में फंस गए, जिसे 'सेल्फ-ट्रैपिंग' (self-trapping) नामक अवस्था कहा जाता है। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि घूमने से एक अपकेंद्र बल (centrifugal force) पैदा हुआ जिसने एक अतिरिक्त, अभेद्य दीवार की तरह काम किया, जिससे दोनों भौतिक घाटियों के बीच का रास्ता अवरुद्ध हो गया। इस परिदृश्य में, परमाणु अपनी जगह पर जम गए थे, और कोई नया संवेग-आधारित प्रभाव प्रकट नहीं हुआ। टीम ने महसूस किया कि संवेग टनलिंग की क्षमता को अनलॉक करने के लिए, उन्हें इस अवरोधक प्रभाव को बेअसर करने की आवश्यकता थी। उन्होंने एक प्रोटोकॉल तैयार किया जहाँ उन्होंने ट्रैप के आकार में एक हल्का, अतिरिक्त धक्का जोड़ा, जो प्रभावी रूप से स्पिन द्वारा बनाए गए अतिरिक्त अवरोध को रद्द कर देता है। इस समायोजन ने परमाणुओं को उनके भौतिक टनलिंग को फिर से शुरू करने की अनुमति दी, लेकिन एक मोड़ के साथ: घूर्णन ने उनकी गति पर एक नया ढांचा अंकित कर दिया।

जब शोधकर्ताओं ने इस समायोजित प्रोटोकॉल को चालू किया और घूर्णन की गति बढ़ाई, तो उन्होंने कुछ उल्लेखनीय देखा। परमाणु भौतिक वेल्स के बीच प्रवाहित होते रहे, लेकिन साथ ही, वे प्रवाह की दिशा के लंबवत (perpendicular) संवेग की दो अलग-अलग अवस्थाओं के बीच दोलन करने लगे। भौतिकी की भाषा में, घूर्णन ने संवेग स्थान में एक प्रभावी दोहरी-वेल क्षमता (double-well potential) बना दी। परमाणु अब केवल स्थान में आगे-पीछे नहीं घूम रहे थे, बल्कि वे अपने संवेग में थोड़ा बाईं ओर और थोड़ा दाईं ओर चलने के बीच भी अदल-बदल रहे थे। इस दोहरे व्यवहार की पुष्टि परमाणुओं के औसत संवेग को ट्रैक करके की गई। घूर्णन के बिना, औसत पार्श्व संवेग शून्य था। जैसे-जैसे घूर्णण की गति बढ़ी, यह औसत संवेग धनात्मक और ऋणात्मक मानों के बीच दोलन करने लगा, जो यह दर्शाता है कि परमाणु गति की दो अलग-अलग अवस्थाओं के बीच टनल कर रहे हैं। यह प्रभाव तब भी दिखाई दिया जब शोधकर्ताओं ने परमाणुओं के बीच की जटिल अंतःक्रियाओं (interactions) को भी ध्यान में रखा, जिससे पता चलता कि यह घटना सुदृढ़ (robust) है और केवल एक साधारण औसत व्यवहार नहीं है।

अध्ययन में यह भी पता लगाया गया कि क्या होगा यदि दोनों वेल्स के बीच की भौतिक बाधा को पूरी तरह से हटा दिया जाए, जिससे एक एकल, चौड़ी घाटी रह जाए। यहाँ तक कि इस बाधा-मुक्त वातावरण में भी, केवल घूर्णन ही संवेग-स्थान टनलिंग उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त था। जब सिस्टम को सही गति पर घुमाया गया, तो परमाणुओं ने फिर से अपने संोधन को दो अलग-अलग संवेग अवस्थाओं में विभाजित किया और उनके बीच दोलन किया। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रदर्शित करता है कि संवेग-स्थान जंक्शन घूर्णन और ट्रैप की ज्यामिति का एक मौलिक परिणाम है, न कि स्वयं भौतिक बाधा का परिणाम। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह व्यवहार उनके कंप्यूटर सिमुलेशन में देखा गया था, जिसने उच्च सटीकता के साथ सिस्टम के क्वांटम मैकेनिक्स का मॉडल बनाया था। उन्होंने अपने परिणामों की तुलना सरल मॉडलों से की जो परमाणुओं के बीच की जटिल अंतःक्रियाओं को अनदेखा करते हैं, और पाया कि हालांकि बुनियादी पैटर्न समान रहा, लेकिन परमाणुओं के बीच की पूर्ण अंतःक्रिया के कारण टनलिंग थोड़ी कम सटीक थी, एक ऐसा विवरण जो उन्नत विधियों के साथ इन प्रणालियों के अध्ययन के महत्व को उजागर करता है।

यह कार्य क्वांटम पदार्थ को समझने और नियंत्रित करने के लिए एक नया द्वार खोलता है। यह दिखाकर कि एक साधारण घूर्णन कैसे एक एकल प्रकार के परमाणु के लिए संवेग स्थान में जोसेफसन जंक्शन बना सकता है, शोधकर्ताओं ने वैज्ञानिकों को एक नया उपकरण प्रदान किया है। पहले, इस तरह के संवेग-आधारित जंक्शन केवल उन प्रणालियों में मौजूद होने के लिए जाने जाते थे जिनमें अधिक जटिल आंतरिक संरचनाएं होती थीं। अब, ऐसा प्रतीत होता है कि केवल ट्रैप का घूर्णन ही इन अवस्थाओं को इंजीनियर करने के लिए पर्याप्त है। यह खोज बताती है कि भविष्य के क्वांटम उपकरणों को इन घूमते हुए ट्रैपों का उपयोग करके स्थिर, ट्यूनेबल जंक्शन बनाने के लिए बनाया जा सकता है जो भौतिक स्थान और संवेग स्थान दोनों में कार्य करते हैं। दो अलग-अलग क्षेत्रों में परमाणुओं के प्रवाह को नियंत्रित करने की क्षमता अधिक संवेदनशील क्वांटम सेंसर और नए प्रकार के क्वांटम यांत्रिक उपकरणों की ओर ले जा सकती है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनके निष्कर्ष वर्तमान में सिमुलेशन पर आधारित हैं, वे प्रयोगवादियों के लिए प्रयोगशाला में इसे आज़माने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं, जो संभावित रूप से इन संवेग-स्थान प्रभावों को अवलोकन योग्य वास्तविकता के दायरे में ला सकता है।