Coherent superposition of emitted and resonantly scattered photons from a two-level system in a cavity driven by an even-$\pi$ pulse

क्वांटम भौतिकी के क्षेत्र में, वैज्ञानिक अक्सर प्रकाश को उसके सबसे मौलिक स्तर पर नियंत्रित करने के तरीके खोजते हैं। वे विशेष रूप से प्रकाश के एकल कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, और इस बात में रुचि रखते हैं कि ये कण पदार्थ के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। कल्पना कीजिए कि एक नन्हा, कृत्रिम परमाणु, जिसे क्वांटम डॉट के रूप में जाना जाता है, एक सूक्ष्म दर्पण बॉक्स जिसे कैविटी (cavity) कहते हैं, के भीतर फंसा हुआ है। यह सेटअप एक मंच की तरह कार्य करता है जहाँ प्रकाश और पदार्थ एक नाजुक युगल गीत (duet) प्रस्तुत करते हैं। जब शोधकर्ता इस प्रणाली पर लेजर चमकाते हैं, तो वे क्वांटम डॉट को ऊर्जा अवशोषित करने और फिर उसे एक नए फोटॉन के रूप में छोड़ने के लिए मजबूर कर सकते हैं। लेजर पल्स के समय को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे डॉट को ठीक एक फोटॉन, या उनकी एक विशिष्ट संख्या उत्सर्जित करने के लिए प्रेरित कर सकते हैं। प्रकाश की इन सटीक धाराओं को उत्पन्न करने की यह क्षमता भविष्य की तकनीकों, जैसे कि अत्यंत सुरक्षित संचार नेटवर्क और शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटरों के लिए महत्वपूर्ण है, जो कार्य करने के लिए क्वांटम यांत्रिकी के अद्वितीय नियमों पर निर्भर करते हैं।

सेंट पीटर्सबर्ग के इओफ़ इंस्टीट्यूट (Ioffe Institute) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस परस्पर क्रिया में जटिलता की एक नई परत का खुलासा किया है। उन्होंने अपना ध्यान तब केंद्रित किया जब उन्होंने अपने क्वांटम डॉट पर एक ऐसा लेजर पल्स मारा जो डॉट की अवस्था को एक बार बदलने के लिए आवश्यक पल्स से ठीक दोगुना लंबा था। पिछले प्रयोगों में, वैज्ञानिक मानते थे कि जब ऐसा पल्स डॉट को कई फोटॉन के विस्फोट के रूप में उत्सर्जित करने के लिए प्रेरित करता था, तो यह इसलिए होता था क्योंकि डॉट उत्तेजित होता था, एक फोटॉन छोड़ता था, और फिर उसी पल्स द्वारा तुरंत फिर से उत्तेजित होकर दूसरा फोटॉन छोड़ देता था। यह विचार, जिसे 'री-एक्साइटेशन' (re-excitation) कहा जाता है, एक चरण-दर-चरण प्रक्रिया का सुझाव देता था जहाँ डॉट एक ऐसी मशीन की तरह कार्य करता था जो एक के बाद एक गोलियां दागती है। हालाँकि, नया अध्ययन दिखाता है कि यह स्पष्टीकरण अधूरा और, कई मामलों में, गलत है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रकाश का यह विस्फोट केवल अलग-अलग घटनाओं का एक क्रम नहीं है। इसके बजाय, यह एक सुसंगत सुपरपोजिशन (coherent superposition) है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश दो अलग-अलग चीजों के एक साथ होने का मिश्रण है। प्रकाश का एक हिस्सा उस वास्तविक फोटॉन से आता है जो क्वांटम डॉट द्वारा उत्तेजित होने के बाद उत्सर्जित किया जाता है। दूसरा हिस्सा स्वयं लेजर प्रकाश से आता है जो डॉट से टकराकर बिना डॉट की अवस्था को स्थायी रूप से बदले, कैविटी से बाहर बिखर (scatter) जाता है। प्रकाश के ये दो स्रोत आपस में पूरी तरह से मिल जाते हैं, जिससे फोटॉन की एक एकल, एकीकृत तरंग बनती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि बहुत छोटे पल्स के लिए, यह स्कैटरिंग (बिखराव) प्रभाव वास्तव में प्रमुख शक्ति है, जो री-एक्साइटेशन प्रक्रिया की तुलना में कहीं अधिक योगदान देता है।

इसे सिद्ध करने के लिए, टीम ने एक इंडियम आर्सेनाइड और गैलियम आर्सेनाइड से बने चार्ज्ड क्वांटम डॉट का उपयोग किया, जिसे एक छोटे स्तंभ के आकार की कैविटी के भीतर रखा गया था। उन्होंने डॉट पर केवल 16 पिकोसेकंड तक चलने वाले अत्यंत लघु लेजर पल्स दागे। एक विशेष फिल्टरिंग तकनीक का उपयोग करके, जिसने सीधे लेजर प्रकाश को रोक दिया और केवल अलग ध्रुवीकरण (polarization) वाले प्रकाश को ही गुजरने दिया, वे उत्सर्जित फोटॉन के गुणों को उच्च सटीकता के साथ माप सके। उन्होंने देखा कि जब पल्स को एक विशिष्ट लंबाई के लिए ट्यून किया गया, तो फोटॉन एकल के बजाय गुच्छों (bunches) में आए। आगमन के समय और प्रकाश की तीव्रता का विश्लेषण करके, वे तेजी से बिखरने वाले लेaser प्रकाश और डॉट से स्वाभाविक रूप से उत्सर्जित होने वाले प्रकाश को अलग करने में सक्षम हुए।

डेटा ने एक स्पष्ट पैटर्न प्रकट किया। तेजी से बिखरने वाले प्रकाश की तीव्रता इस तरह से ऊपर-नीचे हुई जो फोटॉन के गुच्छों के सांख्यिकीय व्यवहार से पूरी तरह मेल खाती थी। जब शोधकर्ताओं ने कैविटी की ऊर्जा को इस तरह समायोजित किया कि वह डॉट की प्राकृतिक आवृत्ति से मेल नहीं खाती थी, तो स्कैटरिंग प्रभाव कमजोर हो गया, और प्रकाश की प्रकृति एक अराजक विस्फोट से एक अधिक व्यवस्थित धारा में बदल गई। इससे पुष्टि हुई कि कैविटी स्वयं स्कैटरिंग प्रक्रिया को बढ़ाने के लिए आवश्यक थी। टीम ने एक सैद्धांतिक मॉडल भी विकसित किया, जिसे उन्होंने "बॉक्स" मॉडल कहा, जो इन घटनाओं का अनुकरण करता है। इस मॉडल ने लेजर पल्स को एक सुसंगत तरंग के रूप में माना और दिखाया कि बिखरे हुए और उत्सर्जित प्रकाश का मिश्रण स्वाभाविक रूप से देखे गए पैटर्न को उत्पन्न करता है, जिसमें डॉट के बार-बार फायरिंग करने के पुराने विचार पर निर्भर होने की आवश्यकता नहीं थी।

अध्ययन ने यह भी देखा कि लेजर पल्स की लंबाई परिणाम को कैसे प्रभावित करती है। बहुत छोटे पल्स के लिए, स्कैटरिंग तंत्र ने मुख्य भूमिका निभाई, जिससे मिश्रित प्रकाश का एक मजबूत संकेत बना। जैसे-जैसे पल्स लंबे होते गए, स्कैटरिंग प्रभाव फीका पड़ता गया, और री-एक्साइटेशन प्रक्रिया अधिक दृश्यमान हो गई, हालांकि यह कुल चित्र का एक छोटा हिस्सा बनी रही। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों के प्रकाश के क्वांटम सांख्यिकी (quantum statistics) को समझने के तरीके को बदल देता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि प्रकाश केवल फोटॉन का एक यादृच्छिक संग्रह नहीं है, बल्कि एक सावधानीपूर्वक व्यवस्थित क्वांटम अवस्था है जहाँ प्रत्येक फोटॉन का मूल लेजर और डॉट का एक मिश्रण है।

यह कार्य प्रकाश उत्सर्जन के सरल चरणों के दृष्टिकोण को चुनौती देता है। यह प्रदर्शित करता है कि एक माइक्रोकैविटी जैसी सीमित जगह में, उस प्रकाश के बीच की सीमा जो सिस्टम से टकराता है और उस प्रकाश के बीच जो बाहर आता है, धुंधली हो जाती है। क्वांटम डॉट केवल नए प्रकाश का स्रोत के रूप में कार्य नहीं करता है; यह एक दर्पण के रूप में भी कार्य करता है जो पहले से मौजूद प्रकाश को संशोधित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह परस्पर क्रिया इस बात से नियंत्रित होती है कि डॉट, कैविटी के साथ कितनी मजबूती से जुड़ा हुआ है, जो तापमान बदलकर या घटकों के भौतिक संरेखण को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है।

इस निष्कर्ष के निहितार्थ केवल एक एकल प्रयोग को समझने से परे हैं। यदि इंजीनियरों को क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए विशिष्ट प्रकार के प्रकाश का निर्माण करना है, तो अब उन्हें पता है कि उन्हें इस स्कैटरिंग प्रभाव को भी ध्यान में रखना होगा, जो उत्सर्जन जितना ही महत्वपूर्ण हो सकता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि क्वांटम डॉट के आसपास के वातावरण में हेरफेर करके, वैज्ञानिक न केवल यह नियंत्रित कर सकते हैं कि कितने फोटॉन उत्पादित होते हैं, बल्कि प्रकाश की मौलिक प्रकृति को भी नियंत्रित कर सकते हैं। शोधकर्ताओं ने प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया के दो अलग-अलग सिद्धांतों के बीच के अंतर को सफलतापूर्वक पाटा, यह दिखाते हुए कि वे अलग-अलग घटनाएं नहीं हैं बल्कि एक एकल, निरंतर प्रक्रिया के भाग हैं।

अंत में, यह शोध पत्र एक स्पष्ट तस्वीर पेश करता है कि प्रकाश सूक्ष्म स्तरों पर सीमित होने पर कैसे व्यवहार करता है। यह दिखाता है कि जो प्रकाश के सरल विस्फोट जैसा दिखता है, वह वास्तव में लेजर और उस पदार्थ के बीच एक जटिल, सुसंगत नृत्य है जिससे वह टकराता है। शोधकर्ताओं ने केवल इसका अवलोकन नहीं किया; उन्होंने इसे मापा, मॉडल किया और सिद्ध किया कि सरल री-एक्साइटेशन का पुराना स्पष्टीकरण एक महत्वपूर्ण कड़ी को भूल गया था। उनका कार्य सुझाव देता है कि क्वांटम प्रकाश स्रोतों का भविष्य स्कैटरिंग और उत्सर्जन के बीच इस नाजुक संतुलन में महारत हासिल करने में निहित है, जिससे एक संभावित जटिलता को क्वांटम दुनिया को नियंत्रित करने के एक शक्तिशाली उपकरण में बदला जा सके।