Higher-order exceptional points in a non-reciprocal waveguide beam splitter
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक सामान्यीकृत लॉस़ी (lossy) वेवगाइड बीम स्प्लिटर में ट्यूनेबल नॉन-रेसिप्रोसिटी (non-reciprocity) को शामिल करने से उच्च-क्रम के एक्सेपशनल पॉइंट्स (exceptional points) की प्राप्ति और NOON-स्टेट इवोल्यूशन का विश्लेषण संभव होता है, जो सख्त विसर्जन (strict dissipation) की आवश्यकता के बिना नॉन-हर्मिटीयन क्वांटम सिस्टम में उन्नत सेंसिंग के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
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क्वांटम भौतिकी की छिपी हुई दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर उन प्रणालियों का अध्ययन करते हैं जो हमारे दैनिक जीवन में दिखने वाली ठोस, अनुमानित वस्तुओं की तरह व्यवहार नहीं करती हैं। इसके बजाय, वे उन प्रणालियों को देखते हैं जहाँ ऊर्जा खोई या प्राप्त की जा सकती है, जिससे एक ऐसा परिदृश्य बनता है जो कहीं अधिक तरल और विचित्र है। इन प्रणालियों के भीतर, 'एक्सेप्शनल पॉइंट्स' (exceptional points) नामक विशेष क्षण होते हैं। एक मानचित्र पर उस स्थान की कल्पना करें जहाँ दो अलग-अलग पथ अचानक मिलकर एक अविभाज्य मार्ग बन जाते हैं। इन बिंदुओं पर, प्रणाली के मौलिक गुण नाटकीय रूप से बदल जाते हैं, जिससे वे बाहरी दुनिया के एक मामूली से धक्के के प्रति भी अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील हो जाते हैं। यह संवेदनशीलता एक शक्तिशाली उपकरण है; जितने अधिक पथ एक साथ मिलते हैं, प्रणाली की प्रतिक्रिया उतनी ही तीव्र होती जाती है, जो वर्तमान तकनीक द्वारा मापी जा सकने वाली किसी भी चीज़ से बहुत छोटे परिवर्तनों का पता लगाने वाले सेंसर बनाने के लिए एक संभावित कुंजी प्रदान करती है। हालाँकि, इन उच्च-स्तरीय मिलन बिंदुओं तक पहुँचना कठिन रहा है, क्योंकि इसके लिए आमतौर पर ऊर्जा हानि के एक आदर्श और नाजुक संतुलन की आवश्यकता होती है जिसे वास्तविक दुनिया में बनाए रखना कठिन है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिना ऊर्जा हानि के ऐसे नाजुक संतुलन की आवश्यकता के बिना इन उच्च-स्तरीय मिलन बिंदुओं तक पहुँचने का एक तरीका खोज लिया है। प्रकाश को दो पथों में विभाजित करने वाले एक उपकरण का अध्ययन करते हुए, उन्होंने पाया कि केवल प्रकाश को एक दिशा में दूसरी दिशा की तुलना में अलग तरह से प्रवाहित करना ही इन शक्तिशाली बिंदुओं को बनाने के लिए पर्याप्त है। यह उपकरण, जिसे 'वेवगाइड बीम स्प्लिटर' (waveguide beam splitter) कहा जाता है, एक ऐसे जंक्शन की तरह कार्य करता है जहाँ प्रकाश दो चैनलों के बीच प्रवाहित हो सकता है। इस उपकरण के मानक संस्करण में, प्रकाश दोनों दिशाओं में समान रूप से बहता है, जैसे शांत नदी में पानी। शोधकर्ताओं ने एक नया तत्व पेश किया: 'नॉन-रेसिप्रोसिटी' (non-reciprocity)। इसका अर्थ है कि उपकरण को इस तरह इंजीनियर किया गया था कि आगे बढ़ने वाला प्रकाश पीछे की ओर जाने वाले प्रकाश से भिन्न व्यवहार करता है, जिससे प्रवाह की समरूपता प्रभावी रूप से टूट जाती है। उन्होंने पाया कि इस एक-तरफ़ा व्यवहार को ट्यून करके, वे प्रणाली के ऊर्जा स्तरों को एक एकल बिंदु में विलय करने के लिए मजबूर कर सकते हैं, जिससे एक 'हायर-ऑर्डर एक्सेप्शनल पॉइंट' (higher-order exceptional point) बनता है, भले ही प्रणाली में कोई ऊर्जा हानि न हो।
वैज्ञानिकों ने एक विशिष्ट सेटअप पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ उन्होंने उपकरण में फोटॉन (प्रकाश के कणों) के एक समान समूह को भेजा। उन्होंने देखा कि जब प्रणाली पूरी तरह से संतुलित थी बनाम जब इसे एक-तरफ़ा बनाया गया था, तो क्या होता है। संतुलित अवस्था में, प्रणाली इस विशेष मिलन बिंदु तक तभी पहुँच पाती थी जब वे सावधानीपूर्वक एक विशिष्ट मात्रा में ऊर्जा हानि जोड़ते थे, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसे सटीक रूप से नियंत्रित करना कठिन है। लेकिन जब उन्होंने नॉन-रेसिप्रोकल विशेषता को चालू किया, तो नियम बदल गए। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि जैसे-जैसे उन्होंने प्रकाश के एक-तरफ़ा प्रवाह को बढ़ाया, मिलन बिंदु तक पहुँचने के लिए आवश्यक ऊर्जा हानि कम होती गई। सबसे चरम मामले में, जहाँ प्रकाश केवल एक दिशा में बहता था, मिलन बिंदु बिना किसी ऊर्जा हानि के भी प्रकट हुआ। इसका अर्थ है कि यह उपकरण ऊर्जा के प्रबंधन की सामान्य जटिलताओं के बिना अपने सबसे संवेदनशील स्तर को प्राप्त कर सकता है, जो मजबूत और सटीक माप उपकरणों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग खोलता है।
यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, टीम ने उपकरण के माध्यम से प्रकाश के व्यवहार को ट्रैक किया। उन्होंने प्रकाश की एक विशेष प्रकार की अवस्था का उपयोग किया, जिसे 'NOON स्टेट' (NOON state) कहा जाता है, जो फोटॉनों का एक अत्यधिक उलझा हुआ (entangled) समूह है जो एक एकल, एकीकृत क्वांटम वस्तु के रूप में कार्य करता है। जब उन्होंने इस अवस्था को उपकरण के माध्यम से विकसित होते देखा, तो उन्होंने देखा कि एक-तरफ़ा प्रवाह ने प्रकाश के वितरण को नाटकीय रूप से बदल दिया। एक सामान्य, संतुलित उपकरण में, प्रकाश दो पथों के बीच आगे-पीछे दोलन (oscillate) करेगा। लेकिन नॉन-रेसिप्रोकल सेटिंग के साथ, प्रकाश अलग व्यवहार करता है, अक्सर विशिष्ट पैटर्न में स्थिर हो जाता है जो प्रणाली के गुणों के अंतर्निहित विलय को प्रकट करते हैं। शोधकर्ताओं ने इस क्वांटम व्यवहार की तुलना शास्त्रीय (classical) प्रकाश से भी की, जिसमें क्वांटम संबंध नहीं होते हैं। उन्होंने पाया कि अद्वितीय, संवेदनशील पैटर्न केवल क्वांटम प्रकाश के साथ ही दिखाई दिए, जो यह सिद्ध करता है कि यह प्रभाव क्वांटम यांत्रिकी की नाजुक प्रकृति पर निर्भर करता है।
इस अध्ययन के परिणाम बताते हैं कि नॉन-रेसिप्रोकल उपकरण इन संवेदनशील बिंदुओं तक पहुँचने के लिए पिछले तरीकों की सख्त आवश्यकताओं के बिना एक लचीला तरीका प्रदान करते हैं। प्रकाश प्रवाह की दिशात्मकता को समायोजित करके, वैज्ञानिक अब इन उच्च-संवेदनशीलता वाली अवस्थाओं तक पहुँचने की दहलीज को कम कर सकते हैं, जिससे उन्हें व्यावहारिक अनुप्रयोगों में प्राप्त करना आसान हो जाता है। यह कार्य रेखांकित करता है कि प्रकाश के प्रवाह की दिशा, ऊर्जा कितनी खो जाती है, इसके जितनी ही महत्वपूर्ण है, जो उन्नत ऑप्टिकल सिस्टम को डिजाइन करने के लिए एक नया स्वतंत्रता स्तर (degree of freedom) प्रदान करती है। यह खोज अगली पीढ़ी के सेंसर विकसित करने की दिशा में ले जा सकती है जो अपने वातावरण में सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने में सक्षम हों, साथ ही सूचना प्रसंस्करण के लिए क्वांटम अवस्थाओं को संचालित करने के नए तरीके भी प्रदान कर सकती है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि प्रकाश प्रवाह की समरूपता को तोड़कर, हम क्वांटम प्रणालियों में व्यवहार के नए क्षेत्रों को अनलॉक कर सकते हैं, जिससे एक सैद्धांतिक जिज्ञासा को एक व्यावहारिक इंजीनियरिंग उपकरण में बदला जा सकता है।
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