Levitated optomechanics with cylindrically polarized vortex beams

आधुनिक भौतिकी के शांत कोनों में, वैज्ञानिक प्रकाश के दबाव का उपयोग करके सूक्ष्म कणों को हवा में थामना सीख रहे हैं। यह तकनीक, जिसे ऑप्टिकल लेविटेशन (प्रकाशिक उत्तोलन) कहा जाता है, एक केंद्रित लेजर बीम का उपयोग करती है जो अदृश्य चिमटी की तरह काम करती है, जिससे एक नैनोपार्टिकल को निर्वात (वैक्यूम) में लटकाया जा सके। एक बार तैरने के बाद, इन कणों को ऐसी अवस्था तक ठंडा किया जा सकता है जहाँ वे लगभग ऐसे चलते हैं जैसे समय रुक गया हो, जिससे शोधकर्ताओं को उन वस्तुओं पर क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों का अध्ययन करने की अनुमति मिलती है जो पर्याप्त आवर्धन (मैग्निफिकेशन) होने पर नग्न आंखों से दिखाई दे सकती हैं। इसका लक्ष्य एक नए प्रकार का क्वांटम सिस्टम बनाना है, जो इतना विशाल हो कि ब्रह्मर के काम करने के तरीकों—गुरुत्वाकर्षण के व्यवहार से लेकर हमारे रोजमर्रा के अनुभव को चुनौती देने वाली पदार्थ की अवस्थाओं के निर्माण तक—की सीमाओं का परीक्षण कर सके। हालाँकि, एक निरंतर समस्या इस क्षेत्र को पीछे खींच रही है: जिस प्रकाश का उपयोग कण को थामने के लिए किया जाता है, वही उसे गर्म भी करता है। जैसे ही फोटॉन कण से टकराकर वापस लौटते हैं, वे उसे छोटे-छोटे झटके देते हैं, जिसे 'रिकोइल हीटिंग' (प्रत्याघात तापन) कहा जाता है, जो कण को थरथराहट देता है और उन नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को नष्ट कर देता है जिन्हें वैज्ञानिक बनाने की कोशिश कर रहे हैं। आगे बढ़ने के लिए, शोधकर्ताओं को इन कणों को अधिक कोमलता से पकड़ने के तरीके की आवश्यकता है, ताकि उनकी पकड़ खोए बिना गर्मी और थरथराहट को कम किया जा सके।

यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के भौतिकविदों की एक टीम ने एक ऐसा समाधान प्रस्तावित किया है जो ट्रैपिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रकाश के आकार और रंग को बदल देता है। अधिकांश प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले मानक, गोल प्रकाश पुंज (बीम) के बजाय, उन्होंने विशेष बीमों के उपयोग की खोज की जहाँ प्रकाश तरंगें विशिष्ट पैटर्न में घूमती हैं, जिन्हें 'सिलिंड्रिकल पोलराइजेशन' (बेलनाकार ध्रुवीकरण) के रूप में जाना जाता है। एक ऐसी प्रकाश बीम की कल्पना करें जहाँ इसका विद्युत क्षेत्र केंद्र के चारों ओर पहिये के स्पोक्स (तीलियों) की तरह घूमता है, या जहाँ प्रकाश बीच में एक अंधेरे छेद के साथ एक वलय (रिंग) बनाता है। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि ये जटिल बीम दो प्रकार के सूक्ष्म गोलों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेंगे: एक सिलिकॉन से बना, जो प्रकाश को मजबूती से मोड़ता है, और दूसरा सिलिका से बना, जो वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश प्रयोगों में प्रयुक्त कांच जैसा पदार्थ है। उन्होंने पाया कि इन मुड़े हुए, वलय के आकार के बीमों पर स्विच करके, वे सिलिकॉन कणों को पहले की तुलना में बहुत अधिक प्रभावी ढंग से, और महत्वपूर्ण रूप से, काफी कम हीटिंग के साथ पकड़ सकते हैं।

अध्ययन से पता चला कि ट्रैपिंग की मानक विधि, जो एक साधारण, गोल प्रकाश बीम पर निर्भर करती है, सिलिकॉन कणों के साथ निपटने में संघर्ष करती है जो इतने बड़े होते हैं कि प्रकाश के साथ जटिल रूप से अंतःक्रिया कर सकें। इन मामलों में, प्रकाश कण को पकड़ने के बजाय उसे दूर धकेल सकता है, या यह कण को इतना गर्म कर सकता है कि वह अस्थिर हो जाए। शोधकर्ताओं ने पाया कि एक अंधेरे केंद्र वाले बीम का उपयोग करके, जहाँ प्रकाश की तीव्रता शून्य होती है, वे सिलिकॉन कण को उस शांत, छायादार क्षेत्र में रख सकते हैं। यह "डार्क ट्रैपिंग" (डार्क ट्रैपिंग) विधि कण को प्रकाश के सबसे तीव्र भाग से दूर रखती है, जिससे फोटॉन के टकराने की संख्या कम हो जाती है और फलस्वरूप, उत्पन्न होने वाली गर्मी भी कम हो जाती है। उनके सिमुलेशन में, इस दृष्टिकोण ने पारंपरिक विधि की तुलना में फोटॉन के झटकों से होने वाली हीटिंग को दस गुना से भी अधिक कम कर दिया। इसका अर्थ है कि कण लंबे समय तक एक शांत, क्वांटिक अवस्था में रह सकता है, जिससे वैज्ञानिकों को अपने प्रयोग करने के लिए अधिक समय मिलता है।

टीम ने एक अलग प्रकार के मुड़े हुए बीम को भी देखा जो प्रकाश को एक बहुत ही तंग, चमकीले बिंदु पर केंद्रित करता है। हालाँकि यह "ब्राइट ट्रैपिंग" (ब्राइट ट्रैपिंग) विधि डार्क सेंटर जितनी शीतलन क्षमता प्रदान नहीं करती है, लेकिन यह बहुत अधिक सटीक और तीव्र ट्रैप बनाने की अनुमति देती है। यह सटीकता मूल्यवान है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को कण की गति को बहुत गति और शुद्धता के साथ नियंत्रित करने की अनुमति देती है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि केवल लेजर प्रकाश का रंग बदलकर, वे ट्रैप के आकार को ही बदल सकते हैं। वे ट्रैप को कण को अंदर खींचने, दूर धकेलने, या यहाँ तक कि एक ऐसा परिदृश्य बनाने के लिए बना सकते हैं जहाँ कण की गति अत्यधिक नॉनलीनियर (अरेखीय) हो जाए। इस पोटेंशियल एनर्जी लैंडस्केप को नया आकार देने की क्षमता इस क्षेत्र के अंतिम लक्ष्य—विचित्र, गैर-शास्त्रीय गति की अवस्थाओं के निर्माण—के लिए आवश्यक है।

ट्रैपिंग की यांत्रिकी के अलावा, शोधकर्ताओं को कणों के स्वयं के तापमान पर भी विचार करना था। सिलिकॉन, प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने के लिए उत्कृष्ट होने के बावजूद, बहुत अधिक ऊर्जा सोखता है और बहुत गर्म हो सकता है, जिससे यदि लेजर बहुत शक्तिशाली हो तो यह पिघल भी सकता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जबकि नई ट्रैपिंग विधियों ने फोटॉन के झटकों से होने वाली हीटिंग को कम कर दिया, फिर भी कण इतनी ऊर्जा अवशोषित करते हैं कि यदि लेजर पावर अधिक हो, तो वे अपने पिघलने के बिंदु के करीब पहुँच जाते हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, लेखकों ने सामग्री में बदलाव का सुझाव दिया। उन्होंने एक अलग प्रकार के सेमीकंडक्टर का प्रस्ताव दिया, जो एल्युमीनियम, गैलियम और आर्सेनिक का मिश्रण है, जिसमें सिलिकॉन के समान ऑप्टिकल गुण हैं लेकिन यह गर्मी के प्रति प्रतिरोध करने में बहुत बेहतर है जो पिघलने का कारण बनती है। उनके गणनाओं ने संकेत दिया कि इस नई सामग्री के साथ, उच्च लेजर पावर पर भी, कण स्थिर रहेंगे और प्रयोग में जीवित रहने के लिए पर्याप्त ठंडे रहेंगे।

इस पेपर में प्रस्तुत कार्य एक सिमुलेशन है, जो एक विस्तृत गणितीय अन्वेषण है कि प्रकाश और पदार्थ इन विशिष्ट परिस्थितियों में कैसे व्यवहार करेंगे। यह अभी तक किसी भौतिक प्रयोग का वर्णन नहीं करता है जहाँ इन बीमों को प्रयोगशाला में बनाया और परीक्षण किया गया हो। हालाँकि, इसके परिणाम इतने सम्मोहक हैं कि वे एक स्पष्ट मार्ग सुझाते हैं। इन विशेष रूप से आकार दिए गए बीमों को सही सामग्री के साथ जोड़कर, वैज्ञानिक अंततः उस हीटिंग बाधा को पार कर सकते हैं जिसने इतने लंबे समय से इस क्षेत्र को सीमित कर रखा है। निष्कर्ष बताते हैं कि उत्तोलित क्वांटम प्रणालियों (levitated quantum systems) का भविष्य न केवल कणों को अधिक ठंडा करने में है, बल्कि प्रकाश को स्वयं अधिक कोमल, सटीक और अनुकूलनीय बनाने में भी है। यह दृष्टिकोण बड़े, अधिक जटिल कणों को पकड़ने और उन्हें इतनी स्थिरता के साथ थामने का द्वार खोलता है कि उस पैमाने पर क्वांटम दुनिया की विचित्र और सुंदर घटनाओं को देखा जा सके जो पहले पहुंच से बाहर थी।