Bending space-time wave packets
यह शोधपत्र प्रदर्शित करता है कि ऑप्टिकल पल्स के स्पैटियोटेम्पोरल स्पेक्ट्रम को तराशकर, शोधकर्ता सममित, विवर्तन-मुक्त (diffraction-free) स्पेस-टाइम वेव पैकेट बना सकते हैं जो मनमाने पावर-लॉ कर्व्ड प्रक्षेप पथों (trajectories) के साथ स्व-त्वरित होते हैं, जो विद्युत चुम्बकीय तरंग लक्ष्य परिहार (target avoidance) के लिए नई संभावनाएं प्रदान करते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
प्रकाश को एक कठोर, सीधी रेखा के रूप में नहीं, बल्कि एक चंचल स्केटर के रूप में कल्पना करें जो हवा में ही अपना रास्ता मोड़ने का निर्णय ले सकता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों को "एयरी बीम" (Airy beam) नामक प्रकाश की एक विशेष किरण के बारे में पता था जो ऐसा कर सकती थी। लेकिन इसमें एक पेंच था: इसे मोड़ने के लिए, बीम को एक तरफ से टेढ़ा-मेढ़ा दिखना पड़ता था, जैसे कि एक आँसू की बूंद (teardrop)। बीम के आकार से ही उसका घुमाव तय होता था, और बीम के आकार से यह तय होता था कि वह कितनी तेजी से मुड़ेगा। यह एक ऐसी कार की तरह था जो केवल तभी बाएं मुड़ सकती थी जब वह नीले रंग की हो, और कार जितनी बड़ी होती, मोड़ उतना ही चौड़ा होना पड़ता था।
सेंट्रल फ्लोरिडा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक तरीका खोजा है जिससे प्रकाश बिना इन सख्त नियमों के मुड़ सकता है। उन्होंने एक नए प्रकार का प्रकाश पल्स बनाया जिसे वे "बेंडिंग स्पेस-टाइम वेव पैकेट" (या संक्षेप में बेंडिंग STWP) कहते हैं। जादू क्या था? ये बीम पूरी तरह से सममित (symmetrical) रहते हैं—एक साफ, गोल गोली की तरह दिखते हैं—फिर भी वे घुमावदार रास्तों पर मुड़ और घूम सकते हैं।
गुप्त नुस्खा: एक स्पैटियोटेम्पोरल रेसिपी
उन्होंने यह कैसे किया? एक सामान्य प्रकाश बीम को एक मार्चिंग बैंड के रूप में सोचें जहाँ हर संगीतकार एक ही समय में एक ही स्वर बजाता है। इन नए "बेंडिंग" बीम्स में, शोधकर्ताओं ने एक विशेष उपकरण जिसका नाम 'स्पेशियल लाइट मॉड्यूलेटर' (SLM) है, का उपयोग एक अत्यंत बुद्धिमान कंडक्टर के रूप में किया। इस कंडक्टर ने न केवल संगीतकारों को यह नहीं बताया कि उन्हें कब बजना है, बल्कि यह भी बताया कि उनके स्वर के रंग (वेवलेंथ) के आधार पर उन्हें कहाँ खड़ा होना है।
रंगों और प्रकाश पल्स के समय को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, उन्होंने एक "स्पैटियोटेम्पोरल स्पेक्ट्रम" बनाया। सरल शब्दों में, उन्होंने प्रकाश के रंग को उसकी दिशा से एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से जोड़ दिया। यदि वे चाहते थे कि बीम सीधा जाए, तो उन्होंने निर्देशों की एक सरल, सीधी रेखा सेट की। यदि वे चाहते थे कि वह झुके, तो उन्होंने उस रेखा को घुमा दिया। लेकिन यदि वे चाहते थे कि वह मुड़े, तो उन्हें बीम के आगे बढ़ने के साथ-साथ निर्देशों को बदलना पड़ता था।
पावर लॉ की शक्ति
सबसे रोमांचक बात इसकी लचीलापन है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि वे इन बीम्स को लगभग किसी भी घुमावदार पथ पर चला सकते हैं, जिसे "पावर लॉ" (power law) द्वारा वर्णित किया जाता है। यह बस एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि वक्र (curve) अधिक तीव्र या उथला हो सकता है।
उन्होंने सफलतापूर्वक ऐसे बीम्स का प्रदर्शन किया जो निम्नलिखित पथों का पालन करते हैं:
- लीनियर पाथ्स (Linear paths): सीधी रेखाएं (सामान्य प्रकार की)।
- क्वाड्रेटिक पाथ्स (Quadratic paths): वक्र जो परबोला की तरह तीव्र होते जाते हैं (पुराने एयरी बीम्स के समान, लेकिन एक गोल आकार के साथ)।
- क्यूबिक पाथ्स (Cubic paths): वक्र जो और भी तेजी से मुड़ते हैं।
- स्क्वायर-रूट पाथ्स (Square-root paths): एक कोमल वक्र जो तीव्र होकर शुरू होता है और फिर समतल हो जाता है।
अपने प्रयोगों में, उन्होंने लगभग 100 fs (फेम्टोसेकंड) लंबा, 800 nm की केंद्र तरंग दैर्ध्य वाला एक लेजर पल्स उपयोग किया। वे बीम को लगभग 60 mm की दूरी तक केंद्रित और बिना किसी विकृति के बनाए रखने में सफल रहे। उनके द्वारा बनाए गए बीम्स की चौड़ाई लगभग 10 µm (माइक्रोमीटर) थी और वे z1 = 40 mm की अक्षीय दूरी पर x1 = 100 µm या 200 µm जैसे स्केलिंग कारकों द्वारा परिभाषित वक्रों के साथ यात्रा कर सकते थे।
इसका क्या अर्थ है (और क्या नहीं)
शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह स्पष्ट करते हैं कि यह केवल एक सिमुलेशन नहीं है; उन्होंने वास्तव में इसे लैब में बनाया और मापा है। उन्होंने दिखाया कि बीम के त्वरण की दर (वह कितनी तेजी से मुड़ता है) बीम के आकार से पूरी तरह स्वतंत्र है। यह एक बड़ी बात है क्योंकि पुराने एयरी बीम्स के साथ, आप अपने आकार को बदले बिना घुमाव को नहीं बदल सकते थे।
हालाँकि, पेपर यह दावा नहीं करता है कि यह विज्ञान कथा (science fiction) के लिए एक जादुई छड़ी है। जबकि परिणाम बताते हैं कि इस विधि का उपयोग अंततः लेजर बीम्स को बाधाओं के चारों ओर मुड़कर "बचने" में मदद करने के लिए किया जा सकता है, लेखक नोट करते हैं कि इस विशिष्ट अनुप्रयोग की अभी पुष्टि नहीं हुई है। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि हालांकि उन्होंने एक पल्स्ड लेजर का उपयोग किया, लेकिन यह संभव है कि इनकोहेरेंट लाइट (incoherent light) भी ऐसा कर सके, लेकिन उन्होंने इस विशिष्ट अध्ययन में इसका परीक्षण नहीं किया।
बड़ी तस्वीर
इन बेंडिंग STWPs को एक नए प्रकार के प्रकाश के रूप में सोचें जिसे नाचने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। पुराने टेढ़े-मेढ़े डांसर्स के विपरीत जिन्हें अपने कपड़ों के आधार पर एक विशिष्ट तरीके से हिलना पड़ता था, ये नए डांसर्स किसी भी सममित पोशाक को पहन सकते हैं और फिर भी किसी भी वक्र को प्रदर्शित कर सकते हैं जिसे कोरियोग्राफर (वैज्ञानिक) चाहता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह प्रकाश के व्यवहार का अध्ययन करने के नए तरीके खोल सकता है, शायद यह नकल करने के लिए कि गुरुत्वाकर्षण कैसे प्रकाश को मोड़ता है, लेकिन फिलहाल, उन्होंने केवल यह सिद्ध किया है कि प्रकाश को एक घुमावदार पथ का पालन करते हुए भी अपने गोल और सममित आकार को बनाए रखने के लिए तराशा जा सकता है।
पेपर इस बात पर निष्कर्ष निकालता है कि यह लचीलापन बताता है कि हम भविष्य में ऐसे बीम्स बना सकते हैं जो सीधी दृष्टि रेखा (direct line of sight) में लक्ष्यों से बचने में सक्षम हों, लेकिन फिलहाल, मुख्य जीत केवल यह दिखाना है कि प्रकाश अपने आकार को खोए बिना रैखिक, द्विघाती, त्रिघाती या यहाँ तक कि वर्गमूल वक्रों में मुड़ सकता है।
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