Single-shot pulse retrieval of femtosecond bright squeezed vacuum

यहाँ शोध पत्र का सरल भाषा और रोज़मर्रा के उदाहरणों के साथ विवरण दिया गया है।

बड़ी तस्वीर: एक "भूतिया" चमक को पकड़ना

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक ऐसा कैमरा है जो बिजली की कड़क (lightning bolt) की तस्वीर ले सकता है। आमतौर पर, बिजली चमकदार और अनुमानित होती है। लेकिन इस प्रयोग में, वैज्ञानिक एक बहुत ही अजीब तरह की रोशनी की तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं जिसे ब्राइट स्क्वीज़्ड वैक्यूम (BSV) कहा जाता है।

BSV को रोशनी की एक "भूतिया" चमक के रूप में समझें।

• सामान्य रोशनी (जैसे लेजर पॉइंटर) पानी के पाइप से निकलने वाली एक स्थिर धार की तरह है। इसकी एक स्पष्ट दिशा और अनुमानित प्रवाह होता है।
• BSV रोशनी पानी की बूंदों के अचानक, हिंसक विस्फोट की तरह है। इसका औसत प्रवाह शून्य है (पानी किसी विशिष्ट दिशा में नहीं जा रहा है), लेकिन इसके उतार-चढ़ाव (छींटे उड़ना) बहुत बड़े और अराजक हैं। यह ऊर्जा के मामले में अविश्वसनीय रूप से चमकीली है, लेकिन इसमें कोई "स्थिर" बीम नहीं है।

समस्या यह है कि क्योंकि यह रोशनी इतनी अराजक और यादृच्छिक (random) है, वैज्ञानिक यह नहीं समझ पा रहे थे कि एक एकल "चमक" (या शॉट) का आकार समय के साथ वास्तव में कैसा दिखता है। वे जानते थे कि यह मौजूद है, लेकिन वे इसका "चेहरा" नहीं देख पा रहे थे। यह शोध पत्र पहली बार है जब उन्होंने इस अजीब रोशनी की एक एकल चमक की सटीक आकृति और समय देखने के लिए सफलतापूर्वक उसकी "सेल्फी" ली है।

सेटअप: "नकलची" और "भूत"

इस भूतिया रोशनी को मापने के लिए, वैज्ञानिकों को एक संदर्भ बिंदु (reference point) की आवश्यकता थी। कल्पना कीजिए कि आप एक जंगली, अदृश्य बादल के आकार को मापने की कोशिश कर रहे हैं। आप बादल को नहीं देख सकते, लेकिन आप उसके बगल में रखी गई एक ज्ञात वस्तु पर पड़ने वाले उसके प्रभाव (विकृति) को देख सकते हैं।

1. स्रोत (The Source): उन्होंने एक विशेष क्रिस्टल (BBO) और एक शक्तिशाली लेजर का उपयोग करके BSV रोशनी बनाई। चूंकि उन्होंने इस प्रक्रिया को शुरू करने के लिए किसी शुरुआती रोशनी का उपयोग नहीं किया था, इसलिए मशीन ने अंतरिक्ष के निर्वात (vacuum) से यादृच्छिक क्वांटम शोर को बढ़ाया, जिससे रोशनी का एक चमकीला, अराजक पल्स बन गया।
2. फ़िल्टर (The Filter): बाहर आने वाली रोशनी बिखरी हुई थी, जैसे कि सभी दिशाओं में भागते हुए लोगों की भीड़। वैज्ञानिकों ने एक दूसरे क्रिस्टल का उपयोग करके इसे फ़िल्टर किया, जिससे केवल "नेता" (मौलिक मोड) ही बचे रहे ताकि रोशनी एक समान हो सके, जैसे कि दौड़ने वालों की एक ही पंक्ति।
3. संदर्भ (The Reference): उन्होंने अपनी मूल, स्थिर लेजर रोशनी का एक छोटा सा हिस्सा लिया और उसे रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला तक फैला दिया। यह उनका "ज्ञात ऑब्जेक्ट" है।

तकनीक: इंटरफेरेंस का नृत्य (The Interference Dance)

इस भूतिया रोशनी के आकार को देखने के लिए, उन्होंने इसे स्थिर लेजर संदर्भ के साथ नृत्य कराया।

• उपमा: कल्पना कीजिए कि दो लोग साथ-साथ चल रहे हैं। एक व्यक्ति एक स्थिर, अनुमानित लय (संदर्भ लेजर) में चल रहा है। दूसरा व्यक्ति एक जंगली, अप्रत्याशित लय (BSV) में चल रहा है।
• मापन: उन्होंने उन दोनों को एक साथ चलाया और उनके कदमों के पैटर्न को रिकॉर्ड किया। जब कदम एक ही समय पर पड़ते हैं, तो वे एक ज़ोरदार "ताली" (constructive interference) की आवाज़ करते हैं। जब वे एक-दूसरे के विपरीत पड़ते हैं, तो वे सन्नाटे (destructive interference) में बदल जाते हैं।
• परिणाम: रोशनी में "तालियों" और "सन्नाटे" के पैटर्न को देखकर, वे गणितीय रूप से पीछे की ओर काम करके यह पता लगा सके कि जंगली चलने वाला (BSV) वास्तव में कैसे चल रहा था।

उन्हें क्या मिला

जब उन्होंने 1,000 व्यक्तिगत चमक (flashes) के "कदमों के निशान" (डेटा) का विश्लेषण किया, तो उन्हें तीन मुख्य बातें पता चलीं:

1. चमक बहुत तेज़ है
BSV की चमक अविश्वसनीय रूप से छोटी होती है। जिस लेजर सिस्टम ने यह रोशनी बनाई थी, उसके पल्स 178 फेम्टोसेकंड (एक फेम्टोसेकंड एक सेकंड का एक पद्मवाँ हिस्सा है) के थे। लेकिन परिणामी BSV चमक केवल 27.2 फेम्टोसेकंड लंबी थी।

• उपमा: यह कार दुर्घटना का स्लो-मोशन वीडियो देखने जैसा है और यह महसूस करना कि वास्तविक टक्कर का क्षण पलक झपकते ही होता है, जो दुर्घटना से पहले कार की गति से कहीं अधिक तेज़ है। रोशनी खुद को एक बहुत छोटे, तीव्र विस्फोट में "दबा" (squeeze) देती है।

2. "फ्लिप-फ्लॉप" रहस्य (फेज एम्बिग्युटी)
वैज्ञानिकों ने डेटा में एक अजीब पैटर्न देखा। आधे समय, रोशनी की लहर एक सामान्य लहर की तरह दिखती थी। बाकी आधे समय, यह बिल्कुल वैसा ही दिखता था जैसे लहर को उल्टा (inverted) कर दिया गया हो।

• उपमा: सिक्के उछालने की कल्पना करें। हर बार जब आप रोशनी की तस्वीर लेते हैं, तो वह या तो "हेड्स" होती है या "टेल्स"। आप भविष्यवाणी नहीं कर सकते कि वह क्या होगी, लेकिन वह हमेशा या तो एक ही या दूसरी ही होती है। इसे $\pi$ (पाई) फेज एम्बिग्युटी कहा जाता है। यह साबित करता है कि रोशनी वास्तव में क्वांटम और यादृच्छिक है, न कि केवल एक स्थिर क्लासिकल लहर।

3. अराजकता में निरंतरता
भले ही हर एक चमक अलग थी, लेकिन अलग-अलग रंगों की रोशनी जिस गति से सिस्टम के माध्यम से यात्रा करती थी, वह आश्चर्यजनक रूप से सुसंगत थी। "ग्रुप डिले" (पल्स का समय) शॉट-दर-शॉट बहुत अधिक नहीं बदला, जिसका अर्थ है कि वैज्ञानिक इन मापों पर भरोसा कर सकते हैं।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

शोध पत्र कहता है कि इन एकल चमक (single flashes) के सटीक आकार को देखने में सक्षम होना एटोसेकंड विज्ञान (उन चीजों का अध्ययन करना जो फेम्टोसेकंड से भी तेज़ होती हैं) के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है।

• लक्ष्य: अब जब वे इस रोशनी के "वेवफॉर्म" (तरंग रूप) को माप सकते हैं, तो वे इसका उपयोग परमाणुओं और सामग्रियों के भीतर इलेक्ट्रॉनों की गति को देखने के लिए एक प्रोब के रूप में कर सकते हैं।
• लाभ: क्योंकि यह रोशनी इतनी तीव्र है लेकिन इसका "औसत शून्य" है, यह पदार्थ के साथ उन तरीकों से परस्पर क्रिया कर सकती है जिनसे सामान्य लेजर नहीं कर सकते, जिससे वैज्ञानिकों को उस सामग्री को नुकसान पहुँचाए बिना अति-तीव्र इलेक्ट्रॉन गतिविधियों का अध्ययन करने की क्षमता मिल सकती है जिसे वे देख रहे हैं।

सारांश

संक्षेप में, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी मशीन बनाई जो एक अराजक, अत्यंत चमकीली प्रकार की रोशनी पैदा करती है। फिर उन्होंने इस अराजक रोशनी की तुलना एक स्थिर, ज्ञात प्रकाश स्रोत से करने का एक चतुर तरीका निकाला। इंटरफेरेंस पैटर्न का विश्लेषण करके, उन्होंने पहली बार इस रोशनी की एकल चमक के सटीक आकार और समय का सफलतापूर्वक पुनर्निर्माण किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि वे अविश्वसनीय रूप से तेज़ (27.2 fs) हैं और उनमें एक अनूठी, यादृच्छिक "फ्लिप-फ्लॉप" प्रकृति है। यह ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म कणों के लिए एक हाई-स्पीड कैमरे के रूप में इस रोशनी का उपयोग करने के द्वार खोलता है।