Elastic Quantum Coupling Between Free Electrons and Photons

अति सूक्ष्म की दुनिया में, प्रकाश और पदार्थ को अक्सर अलग-अलग यात्रियों के रूप में माना जाता है। प्रकाश एक तरंग की तरह व्यवहार करता है, जो अंतरिक्ष में लहरें पैदा करता है, जबकि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के वैक्यूम ट्यूबों में तेजी से गुजरने वाले छोटे, पृथक कणों की तरह कार्य करते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक लेजर का उपयोग इलेक्ट्रॉनों को धकेलने, उनकी गति बदलने या उन्हें घने समूहों में इकट्ठा करने के लिए करते रहे हैं। हालाँकि, इन अंतःक्रियाओं के साथ आमतौर पर एक कीमत चुकानी पड़ती है: इलेक्ट्रॉन कुछ ऊर्जा खो देता है या प्राप्त करता है, जिससे उसकी अवस्था हमेशा के लिए बदल जाती है। यह आदान-प्रदान एक ऐसे हाथ मिलाने (handshake) जैसा है जो दोनों पक्षों को पहले की तुलना में थोड़ा अलग बना देता है। क्वांटम यांत्रिकी के क्षेत्र में, जहाँ लक्ष्य अक्सर बिना किसी व्यवधान के अवलोकन करना होता है, ऐसा परिवर्तन एक समस्या है। यह वैज्ञानिकों को उस नाजुक क्वांटम सूचना को बदले बिना व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों को गिनने से रोकता है जिसे वे वहन करते हैं। इस अवलोकन की मौलिक सीमा 'शॉट नॉइज़' (shot noise) है, जो एक प्राकृतिक धुंधलापन है क्योंकि कण एक सुचारू प्रवाह के बजाय यादृच्छिक, पृथक पैकेटों के रूप में आते हैं। ब्रह्मांड के सूक्ष्म विवरणों को देखने के लिए, शोधकर्ताओं को इन कणों को बिना हिलाए-डुलाए गिनने का एक तरीका चाहिए, जिससे उनकी मूल अवस्था को सुरक्षित रखते हुए भी जानकारी एकत्र की जा सके।

तेल अवीव विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इसे प्राप्त करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जिसमें सुझाव दिया गया है कि एक इलेक्ट्रॉन प्रकाश के क्षेत्र से गुजर सकता है और बिना ऊर्जा का आदान-प्रदान किए एक निशान छोड़ सकता है। वे एक ऐसी स्थिति का वर्णन करते हैं जहाँ एक मुक्त इलेक्ट्रॉन एक ऑप्टिकल कैविटी (optical cavity) के सीमित प्रकाश के माध्यम से चलता है, जो एक ऐसा उपकरण है जो प्रकाश को एक छोटे स्थान में कैद करता है। प्रकाश से ऊर्जा चुराने या देने के बजाय, इलेक्ट्रॉन केवल प्रकाश की तरंगों के समय (timing) को बदल देता है। यह एक शुद्ध 'फेज शिफ्ट' (phase shift) है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की तरंगों के शिखर और गर्त थोड़े आगे या पीछे हो जाते हैं, लेकिन प्रकाश का रंग और तीव्रता अप्रभावित रहती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह प्रभाव इतना सुसंगत है कि यह ऐसा व्यवहार करता है जैसे इलेक्ट्रॉन का एक अपवर्तनांक (refractive index) हो, जो एक गुण है जो आमतौर पर कांच या पानी जैसी सामग्रियों के लिए आरक्षित होता है जो प्रकाश को मोड़ते हैं। इस मामले में, इलेक्ट्रॉन स्वयं प्रकाश के लिए एक छोटा लेंस बन जाता है, जो तरंग के गुजरने पर उसके फेज को मोड़ देता है।

डिंगुओ ज़ेंग और ओफ़र किफ़र के नेतृत्व में अध्ययन ने इस अंतःक्रिया को एक गणितीय नियम के रूप में तैयार किया है जो इलेक्ट्रॉनों को नष्ट किए बिना उन्हें गिनता है। वे दिखाते हैं कि यदि इलेक्ट्रॉनों की एक बीम प्रकाश क्षेत्र से गुजरती है, तो प्रकाश का कुल फेज शिफ्ट सीधे इलेक्ट्रॉनों की संख्या के समानुपाती होता है। एक इलेक्ट्रॉन एक सूक्ष्म बदलाव करता है; सौ इलेक्ट्रॉन उस बदलाव का सौ गुना करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, क्योंकि कोई ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं होता है, इलेक्ट्रॉन अपनी क्वांटम अवस्थाओं को बरकरार रखते हुए बाहर निकलते हैं। इसका अर्थ है कि वे एक-दूसरे से अविभेदनीय रहते हैं, जो उन्नत क्वांटम मापों के लिए एक प्रमुख आवश्यकता है। शोधकर्ताओं ने गणना की है कि यह प्रभाव एक प्रकार का 'बाइरेफ्रिंजेंस' (birefringence) पैदा करता है, जहाँ इलेक्ट्रॉन का प्रकाश पर प्रभाव प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) की दिशा पर निर्भर करता है। तेज गति वाले इलेक्ट्रॉनों के लिए, यह प्रभाव अधिक स्पष्ट हो जाता है, जो एक विशेष ऑप्टिकल सामग्री की तरह व्यवहार करता है जो केवल इलेक्ट्रॉन की उपस्थिति में ही अस्तित्व में होती है।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, लेखक एक रेसट्रैक के आकार के ऑप्टिकल रेज़ोनेटर (optical resonator) का उपयोग करके एक प्रयोग का प्रस्ताव करते हैं, जो कांच का एक छोटा लूप है जो प्रकाश को इसके अंदर संचारित रखता है। जैसे-जैसे इलेक्ट्रॉन इस लूप के पास से गुजरते हैं, वे फंसे हुए प्रकाश में फेज शिफ्ट उत्पन्न करेंगे। क्योंकि प्रकाश लूप के भीतर हजारों बार उछलता रहता है, इसलिए एक एकल इलेक्ट्रॉन द्वारा उत्पन्न सूक्ष्म बदलाव भी संचित हो जाएगा, जिससे अंततः उपकरण से निकलने वाले प्रकाश की मात्रा बदल जाएगी। शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया का मॉडल तैयार किया और पाया कि आउटपुट पावर में एक विशिष्ट पैटर्न में उतार-चढ़ाव होगा, जो इलेक्ट्रॉन के गुजरने पर ऊपर-नीचे होता रहेगा। उन्होंने गणना की कि 100 मिलीवाट की सर्कुलेटिंग पावर और 100 इलेक्ट्रॉनवोल्ट की गतिज ऊर्जा वाले एक विशिष्ट सेटअप के लिए, यह अंतःक्रिया लगभग 17 पिकोसेकंड तक चलेगी। आउटपुट में होने वाला परिणामी ऊर्जा परिवर्तन लगभग 1.5 गुणा 10 की घात -19 जूल होगा, जो लगभग दो फोटॉन की ऊर्जा के बराबर है।

हालाँकि यह संकेत अविश्वसनीय रूप से छोटा है और वर्तमान में सिस्टम के बैकग्राउंड नॉइज़ के ऊपर पता लगाना कठिन है, सिद्धांत बताता है कि यह संभव है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह विधि इस बात पर निर्भर नहीं करती है कि इलेक्ट्रॉन एक फोटॉन को अवशोषित या उत्सर्जित करता है, जैसा कि अधिकांश वर्तमान इलेक्ट्रॉन-प्रकाश अंतःक्रियाएं करती हैं। इसके बजाय, यह एक 'डिस्पर्सिव इंटरैक्शन' (dispersive interaction) पर निर्भर करता है, जो एक कोमल धक्का है जो ऊर्जा को बदले बिना तरंग के समय को बदल देता है। यदि भविष्य की तकनीक इस संकेत को बढ़ा सकती है, शायद मजबूत प्रकाश क्षेत्रों या लंबे समय तक अंतःक्रिया का उपयोग करके, तो यह वैज्ञानिकों को अत्यधिक सटीकता के साथ इलेक्ट्रॉनों को गिनने में सक्षम बना सकता है। यह एक नए प्रकार के सेंसिंग को सक्षम करेगा जो शोर की मानक सीमाओं से नीचे काम करता है, जो संभावित रूप से इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी को परमाणु स्तर पर ऐसी स्पष्टता के साथ चित्रित करने की अनुमति देगा जो पहले असंभव मानी जाती थी। यह कार्य अभी एक सैद्धांतिक प्रस्ताव और गणनाओं का एक समूह है, लेकिन यह एक ऐसे भविष्य की ओर एक स्पष्ट मार्ग रेखा खींचता है जहाँ हम बिना किसी व्यवधान के क्वांटम दुनिया को देख सकते हैं।