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Demonstration of $\bf3.5\times10^{-13}$ laser frequency stability at 1000 s using an iodine-filled hollow-core fiber photonic microcell

तीन प्रकार के परजीवी हस्तक्षेपों (parasitic interference) की पहचान और उन्हें दबाकर, जो त्रुटि संकेतों (error signals) को खराब करते हैं, शोधकर्ताओं ने एक खोखले-कोर फोटोनिक माइक्रोसेल (hollow-core photonic microcell) के भीतर आणविक आयोडीन (molecular iodine) से लॉक किए गए 532 nm लेजर का उपयोग करके 1000 सेकंड पर $3.5\times10^{-13}$ की रिकॉर्ड-तोड़ भिन्नात्मक आवृत्ति स्थिरता (fractional frequency stability) प्राप्त की।

मूल लेखक: Pengzhuo Wang, Jose Sanjuan, Moritz Mehmet, Felipe Guzman

प्रकाशित 2026-07-31

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CC0 1.0

मूल लेखक: Pengzhuo Wang, Jose Sanjuan, Moritz Mehmet, Felipe Guzman

मूल पेपर CC0 1.0 (http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/) के तहत सार्वजनिक डोमेन को समर्पित 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

कल्पना कीजिए कि आप एक विशिष्ट स्टेशन को ट्यून करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन सिग्नल इतना धीमा है और शोर (static) इतना तेज़ है कि आप संगीत को मुश्किल से सुन पा रहे हैं। उच्च-परिशुद्धता विज्ञान (high-precision science) की दुनिया में, लेजर को "ट्यून" करना बिल्कुल इसी तरह की चुनौती है, बस यहाँ दांव पर लगी चीज़ें बहुत बड़ी हैं। वैज्ञानिक ब्रह्मांड को मापने के लिए इन अत्यंत स्थिर लेजर आवृत्तियों (frequencies) का उपयोग 'रूलर' के रूप में करते हैं, जैसे कि टकराते हुए ब्लैक होल्स के कारण अंतरिक्ष-समय (space-time) में उत्पन्न होने वाली लहरों का पता लगाना या ऐसे क्लॉक बनाना जो इतने सटीक हों कि वे ब्रह्मांड की आयु के दौरान एक सेकंड भी न खोएं। इस सटीक ट्यूनिंग को प्राप्त करने के लिए, वे अक्सर एक "फ्रीक्वेंसी रेफरेंस" का उपयोग करते हैं, जो प्रकाश के लिए एक संगीतमय ट्यूनिंग फोर्क (tuning fork) की तरह है। पारंपरिक रूप से, ये ट्यूनिंग फोर्क गैस से भरी कांच की नलियां होती हैं, लेकिन वे भारी और नाजुक होती हैं। नया मोर्चा इन नलियों को छोटे, सीलबंद ग्लास फाइबर में सिकोड़ना है, जिससे वे एक सैटेलाइट पर फिट होने के लिए पर्याप्त कॉम्पैक्ट बन सकें। हालाँकि, ठीक वैसे ही जैसे हवादार कमरे में वॉयलिन बजाने की कोशिश करना, इन नन्हे रेशों (fibers) में प्रकाश को सिकोड़ने से बहुत सारा "शोर" और डगमगाहट पैदा होती है जो सटीक पिच को बिगाड़ देती है।

यह शोध पत्र बताता है कि कैसे एरिजोना विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने उस शोर को शांत करने और अपने लेजर को अविश्वसनीय सटीकता के साथ ट्यून करने में सफलता प्राप्त की। उन्होंने एक विशेष हॉलो-कोर फाइबर (hollow-core fiber) का उपयोग करके एक सिस्टम बनाया, जिसमें आयोडीन गैस भरी हुई थी (एक "फोटोनिक माइक्रोसेल") जो उनके ट्यूनिंग फोर्क के रूप में कार्य करता है। शुरुआत में, उनका लेजर सबसे संवेदनशील कार्यों के लिए बहुत अधिक डगमगा रहा था। टीम ने पाया कि समस्या गैस या फाइबर की नहीं थी, बल्कि "घोस्ट बीम्स" (ghost beams) की थी—अवांछित परावर्तन (reflections) जो उनके सिस्टम में इधर-उधर उछल रहे थे और मुख्य सिग्नल के साथ हस्तक्षेप कर रहे थे, ठीक वैसे ही जैसे एक घाटी में गूँज (echo) किसी चमगादड़ के सोनार को भ्रमित कर सकती है। इन तीन विशिष्ट प्रकार के घोस्ट ईको (ghostly echoes) की पहचान करने और उन्हें रोकने के लिए चतुर जाल और ढाल बनाने के बाद, वे लेजर को शांत करने में सफल रहे। परिणाम एक ऐसा लेजर है जो अविश्वसनीय रूप से स्थिर रहता है, और 1000 सेकंड के बाद $3.5 \times 10^{-13}$ की स्थिरता प्राप्त करता है। हमारी जानकारी के अनुसार, यह इस विशिष्ट प्रकार के गैस-भरे फाइबर का उपयोग करके अब तक का सबसे अच्छा रिकॉर्ड किया गया स्थिरता स्तर है, जो यह सिद्ध करता है कि ये छोटे, फाइबर-आधारित सिस्टम अंततः उन विशाल, कमरे के आकार के उपकरणों का मुकाबला कर सकते हैं जिन्हें बदलने के लिए उन्हें बनाया गया है।

डगमगाते लेजर और घोस्ट बीम्स की कहानी

लक्ष्य: एक लेजर जो कभी न डगमगाए
कल्पना कीजिए कि आप एक पेंसिल को उसकी नोक पर संतुलित करने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप इसे पूरी तरह से स्थिर रखते हैं, तो यह कुछ क्षण के लिए टिकी रह सकती है। लेकिन यदि आपका हाथ थोड़ा सा भी हिलता है, तो पेंसिल गिर जाती है। लेजर की दुनिया में, वैज्ञानिक चाहते हैं कि उनका प्रकाश बिना डगमगाए हमेशा एक ही सटीक रंग (आवृत्ति) पर बना रहे। यह ग्रहों की दूरी मापने या गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने जैसी चीजों के लिए महत्वपूर्ण है। आमतौर पर, वे आयोडीन गैस से भरी एक बड़ी कांच की नली का उपयोग करते हैं जो लेजर के लिए एक "स्टॉप साइन" के रूप में कार्य करती है, जो उसे बताती है, "यहीं रुको!" लेकिन बड़ी नलियां भारी होती हैं और रॉकेटों पर ले जाना कठिन होता है। इसलिए, वैज्ञानिकों ने इस ट्यूब को एक छोटे से हॉलो-कोर फाइबर में सिकोड़ने की कोशिश की, जो आयोडीन से भरी एक सूक्ष्म स्ट्रॉ (microscopic straw) की तरह है।

समस्या: फाइबर बहुत शोर वाला है
जब शोधकर्ताओं ने पहली बार यह प्रयास किया, तो लेजर अभी भी डगमगा रहा था। यह एक ट्रैम्पोलिन पर खड़े होकर उस पेंसिल को संतुलित करने की कोशिश करने जैसा था। शोध पत्र बताता है कि फाइबर "पैरासिटिक इंटरफेरेंस" (parasitic interference) पैदा कर रहा था। इसे "विस्पर डाउन द लेन" (whisper down the lane) के खेल की तरह समझें। आप चाहते हैं कि मुख्य संदेश (लेजर बीम) स्पष्ट हो, लेकिन फाइबर की दीवारों और उपकरणों से टकराकर वापस आने वाली अन्य फुसफुसाहटें (घोस्ट बीम्स) भी मौजूद हैं। ये फुसफुसाहटें मुख्य संदेश के साथ मिल जाती हैं, जिससे एक भ्रमित करने वाला स्टैटिक पैदा होता है जो लेजर का संतुलन बिगाड़ देता है।

टीम ने पाया कि ये घोस्ट बीम्स तीन अलग-अलग जगहों से आते थे:

"हॉलो" ईको (टाइप I): फाइबर के अंदर, प्रकाश केवल एक सीधी रेखा में नहीं चलता; कभी-कभी यह "हायर-ऑर्डर मोड्स" नामक अजीब पैटर्न में उछलता है। यह एक पूल के बीच में सीधे तैरने के बजाय किनारे से टकराकर उछलने वाली गेंद की तरह है। ये उछाल अतिरिक्त शोर पैदा करते हैं।
"बैक-रिफ्लेक्शन" (टाइप II): पंप बीम (ऊर्जा स्रोत) से कुछ प्रकाश फाइबर के अंत से टकराकर वापस आता है और डिटेक्टर से टकराता है, जिससे सिस्टम भ्रमित हो जाता है। यह वैसा ही है जैसे आप कार पार्क करने की कोशिश कर रहे हों और पीछे से कोई कार आपके ड्राइववे में आ जाए।
"सर्कुलेटिंग" घोस्ट (टाइप III): कुछ प्रकाश एक लूप में फंस जाता है, जो दर्पणों और फाइबर के बीच आगे-पीछे घूमता रहता है, जिससे एक निरंतर गूँज पैदा होती है जो कभी खत्म नहीं होती।

समाधान: घोस्ट्स को शांत करना
शोधकर्ताओं ने हार नहीं मानी; वे घोस्ट हंटर्स बन गए। उन्होंने इन ईको को रोकने के लिए तीन विशिष्ट तरीके डिजाइन किए:

"हॉलो" ईको के लिए: उन्होंने महसूस किया कि यदि फाइबर हवा के प्रवाह या तापमान परिवर्तन के कारण थोड़ा भी हिलता है, तो शोर बढ़ जाता है। इसलिए, उन्होंने पूरे सेटअप पर एक साधारण प्लास्टिक कवर लगा दिया। इसने फाइबर को हवा और तापमान के उतार-चढ़ाव से सुरक्षित रखा, जिससे प्रकाश का पथ स्थिर बना रहा।
"बैक-रिफ्लेक्शन" के लिए: उन्होंने एक विशेष "फेज-लॉक लूप" (PLL) का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे दोस्त के साथ कदम से कदम मिलाकर चलने की कोशिश कर रहे हैं जो एक चलती हुई वॉकवे (moving walkway) पर चल रहा है। यदि वह तेज चलता है, तो आप भी उनके साथ तालमेल बिठाने के लिए तेज चलते हैं। PLL प्रकाश के लिए यही करता है; यह लगातार पथ की लंबाई को समायोजित करता है ताकि टकराकर आने वाले प्रकाश के फेज को रद्द किया जा सके, जिससे घोस्ट बीम प्रभावी रूप से बैकग्राउंड में गायब हो जाता है।
"सर्कुलेटिंग" घोस्ट के लिए: उन्होंने "फैराडे आइसोलेटर्स" (Faraday isolators) लगाए। इन्हें प्रकाश के लिए "एकतरफा दरवाजे" के रूप में समझें। ये लेजर बीम को जाने देते हैं लेकिन पीछे से आने वाले किसी भी प्रकाश को रोक देते हैं। इसने घूमते हुए लूपों को वहीं रोक दिया।

परिणाम: एक सुपर-स्टेबल लेजर
इन सुधारों को लागू करने के बाद, लेजर की स्थिरता नाटकीय रूप से सुधर गई। सुधारों से पहले, लेजर $10^{-11}$ की स्थिरता के साथ डगमगा रहा था। सुधारों के बाद, यह अविश्वसनीय रूप से स्थिर हो गया। 1000 सेकंड के आसपास के इंटीग्रेशन समय (मापन की अवधि) के लिए, लेजर ने $3.5 \times 10^{-13}$ की फ्रैक्शनल फ्रीक्वेंसी स्टेबिलिटी हासिल की।

इसे समझने के लिए, यदि यह लेजर एक घड़ी होता, तो यह इतनी सटीक होती कि लाखों वर्षों में भी एक सेकंड भी कम या ज्यादा नहीं करती। शोध पत्र नोट करता है कि यह गैस-भरे हॉलो-कोर फाइबर का उपयोग करके अब तक की सर्वश्रेष्ठ स्थिरता है। हालांकि "हॉलो" ईको (टाइप I) बहुत लंबे माप के लिए अभी भी सबसे बड़ा व्यवधान हैं, टीम ने दिखाया कि सरल शील्ड, स्मार्ट इलेक्ट्रॉनिक्स और एकतरफा दरवाजों को मिलाकर, वे फाइबर को वश में कर सकते हैं और इसे एक विश्व स्तरीय संदर्भ बना सकते हैं। यह इन छोटे, अत्यंत सटीक लेजर रूलर्स को उपग्रहों और अंतरिक्ष यानों पर रखने का मार्ग प्रशस्त करता है, जहाँ आकार और वजन महत्वपूर्ण हैं, बिना उस परिशुद्धता से समझौता किए जिसकी आवश्यकता ब्रह्मांड की खोज के लिए होती है।

तकनीकी सारांश: आयोडीन-भरे हॉलो-कोर फोटोनिक माइक्रोसेल का उपयोग करके लेजर फ्रीक्वेंसी स्टेबिलाइज़ेशन

समस्या विवरण
लेजर फ्रीक्वेंसी स्टेबिलाइज़ेशन उच्च-परिशुद्धता मेट्रोलॉजी के लिए आवश्यक है, जिसमें ग्रेविटेशनल-वेव डिटेक्शन और परमाणु घड़ियाँ शामिल हैं। जबकि फ्री-स्पेस आयोडीन सेल ने $10^{-15}$ तक की फ्रैक्शनल फ्रीक्वेंसी स्टेबिलिटी हासिल की है, अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त कॉम्पैक्ट, ऑल-फाइबर-आधारित प्रणालियों की मांग बढ़ रही है जहाँ आकार और वजन महत्वपूर्ण होते हैं। गैस-भरे हॉलो-कोर फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर (HC-PCF) और फोटोनिक माइक्रोसेल्स (PMC) लघुकरण (miniaturization) की दिशा में एक मार्ग प्रदान करते हैं। हालांकि, फाइबर-आधारित प्रणालियों की फ्रीक्वेंसी स्टेबिलिटी ऐतिहासिक रूप से फ्री-स्पेस समकक्षों की तुलना में पीछे रही है। पिछले कारणों में ट्रांजिट-टाइम और पावर प्रभावों के कारण स्पेक्ट्रल लाइनविड्थ ब्रोडनिंग, साथ ही हाई-ऑर्डर मोड्स (HOMs) और क्लैडिंग मोड्स के कारण दीर्घकालिक अस्थिरता शामिल है। पूर्ववर्ती कार्यों की तुलना में, सीलबंद PMC अधिक चुनौतियाँ पेश करते हैं, जैसे कि फाइबर कोलैप्सिंग प्रक्रिया के कारण मोड-मैचिंग में कठिनाइयाँ और बैक-रिफ्लेक्शन तथा सर्कुलेटिंग बीम्स से होने वाला पैरासिटिक इंटरफेरेंस। इस कार्य से पहले, आयोडीन-भरे HC-PCF के लिए सर्वश्रेष्ठ रिपोर्ट की गई स्टेबिलिटी 1 s पर $2.3 \times 10^{-12}$ थी, जबकि PMC सिस्टम आम तौर पर एक ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड बदतर प्रदर्शन करते थे।

कार्यप्रणाली (Methodology)
लेखकों ने एक 532 nm लेजर के लिए डिज़ाइन और परीक्षण किया गया लेजर फ्रीक्वेंसी स्टेबिलाइज़ेशन सिस्टम बनाया, जो एक सीलबंद, आयोडीन-भरे PMC (GLOphotonics) के भीतर आणविक आयोडीन के R(56) 32-0 ट्रांज़िशन के $a_1$ घटक पर लॉक है। यह सिस्टम एक फेज-लॉक लूप (PLL) और शोर को कम करने के लिए दो ऑप्टिकल आइसोलेटर्स के साथ सैचुरेशन एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी स्कीम का उपयोग करता है।

प्रायोगिक सेटअप लेजर बीम को विभाजित करता है: एक पथ लेजर को एक कमर्शियल फ्री-स्पेस आयोडीन सिस्टम (जो $<10^{-13}$ स्थिरता के साथ एक संदर्भ के रूप में कार्य करता है) पर लॉक करता है, जबकि दूसरा पथ PMC पर लॉक करता है। PMC सिस्टम एक पंप बीम (जो 80.1 MHz द्वारा फ्रीक्वेंसी-शिफ्टेड और 20.1 kHz पर एम्प्लीट्यूड-मॉड्यूलेटेड है) और एक फेज-मॉड्यूलेटेड प्रोब बीम (60 MHz) का उपयोग करता है। एरर सिग्नल को एब्जॉर्प्शन बैकग्राउंड से हाइपरफाइन स्ट्रक्चर को अलग करने के लिए डबल डेमोड्यूलेशन के माध्यम से जनरेट किया जाता है।

कार्यप्रणाली का मुख्य हिस्सा तीन विशिष्ट प्रकार के पैरासिटिक इंटरफेरेंस की पहचान करना और उन्हें दबाना है जो एरर सिग्नल को खराब करते हैं:

टाइप-I (HOM कपलिंग): अपूर्ण मोड-मैचिंग और एलाइनमेंट ड्रिफ्ट के कारण फंडामेंटल प्रोब मोड और हाई-ऑर्डर मोड्स के बीच का इंटरफेरेंस। लेखकों ने PMC टिप डिस्प्लेसमेंट के प्रति फ्रीक्वेंसी ऑफसेट की संवेदनशीलता का लक्षण वर्णन किया और एक पैराबोलिक रिस्पॉन्स पाया। एलाइनमेंट ड्रिफ्ट और तापमान-प्रेरित ड्रिफ्ट को कम करने के लिए सिस्टम को एक प्लास्टिक कवर में रखकर इसे दबाया गया।
टाइप-II (पंप-बीम बैक-रिफ्लेक्शन): पंप-PMC इंटरफेस पर परावर्तित पंप बीम के अवशेष ज़ीरो-ऑर्डर फ्रीक्वेंसी घटक और प्रोब बीम के बीच का इंटरफेरेंस। इसे संबोधित करने के लिए, लेखकों ने पंप पाथ में एक पीज़ो-इलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर (PZT) का उपयोग करके ऑप्टिकल पाथ डिफरेंस (OPD) को स्थिर करने के लिए एक PLL लागू किया।
टाइप-III (सर्कुलेटिंग बीम्स): ऑप्टिकल पाथ में घूमते हुए बीम्स (जैसे फाइबर इंटरफेस से बैक-रिफ्लेक्शन) द्वारा उत्पन्न इंटरफेरेंस, जो AOM और EOM दोनों से मॉड्यूलेशन ले जाते हैं। इसे पंप और प्रोब पाथ में दो फैराडे आइसोलेटर्स (41 dB आइसोलेशन) को डालकर कम किया गया, जिससे सर्कुलेटिंग बीम पावर कुछ $\mu$ W से घटकर कुछ nW रह गई।

प्रमुख योगदान

शोर स्रोतों की पहचान: पेपर फाइबर-आधारित आयोडीन रेफरेंस में पैरासिटिक इंटरफेरेंस को उनके मूल (HOMs, पंप बैक-रिफ्लेक्शन्स, और सर्कुलेटिंग बीम्स) के आधार पर तीन अलग-अलग प्रकारों में वर्गीकृत करता है और एरर सिग्नल पर उनके विशिष्ट प्रभाव का विश्लेषण करता है।
सप्रेशन तकनीकें: लेखक प्रत्येक शोर प्रकार के लिए प्रभावी न्यूनीकरण रणनीतियों का प्रदर्शन करते हैं:
- एलाइनमेंट को स्थिर करने और टाइप-I कपलिंग को कम करने के लिए एनवायरनमेंटल आइसोलेशन (प्लास्टिक कवर)।
- पंप के बैक-रिफ्लेक्टेड बीम्स के OPD को लॉक करने के लिए एक्टिव फेज स्टेबिलाइज़ेशन (PLL), जो टाइप-II शोर को कम करता है।
- टाइप-III सर्कुलेटिंग बीम्स को दबाने के लिए ऑप्टिकल आइसोलेशन (फैराडे आइसोलेटर्स)।
सिस्टम आर्किटेक्चर: सीलबंद PMC के विशिष्ट शोर प्रोफाइल के लिए विशेष रूप से तैयार किए गए सैचुरेशन एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी सेटअप में एक फेज-लॉक लूप और डुअल ऑप्टिकल आइसोलेटर्स का एकीकरण।

परिणाम
इन सप्रेशन विधियों के क्रमिक अनुप्रयोग के बाद, सिस्टम की फ्रीक्वेंसी स्टेबिलिटी में एक ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड से अधिक सुधार हुआ।

प्रारंभिक प्रदर्शन: अनमिटिगेटेड (unmitigated) सिस्टम ने लगभग $10^{-11}$ की फ्रीक्वेंसी स्टेबिलिटी प्रदर्शित की।
पोस्ट-मिटिगेशन: PLL (टाइप-II सप्रेशन) और फैराडे आइसोलेटर्स (टाइप-III सप्रेशन) लागू करने के बाद, स्टेबिलिटी में महत्वपूर्ण सुधार हुआ। टाइप-I सप्रेशन के लिए प्लास्टिक कवर जोड़ने से लॉन्ग-टर्म परफॉरमेंस और बेहतर हुई।
अंतिम स्टेबिलिटी: सिस्टम ने 1000 s के इंटीग्रेशन टाइम पर $3.5 \times 10^{-13}$ की फ्रैक्शनल फ्रीक्वेंसी स्टेबिलिटी प्राप्त की।
शोर विशेषताएँ: 10 s और 1000 s के बीच इंटीग्रेशन टाइम के लिए, सिस्टम ने $10^{-12}$ से नीचे स्टेबिलिटी स्तर प्राप्त किया। सिस्टम 10 s से कम के इंटीग्रेशन टाइम के लिए शॉट-नॉइज़ लिमिटेड है, जबकि लंबे समय के पैमाने के लिए टाइप-I पैरासिटिक इंटरफेरेंस (एलाइनमेंट और तापमान-प्रेरित ड्रिफ्ट) प्रमुख शोर स्रोत बना हुआ है।

महत्व
लेखक दावा करते हैं कि यह कार्य अब तक गैस-भरे हॉलो-कोर फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर फ्रीक्वेंसी रेफरेंस का उपयोग करके प्राप्त की गई सर्वश्रेष्ठ फ्रीक्वेंसी स्टेबिलिटी है। यह प्रदर्शित करके कि सावधानीपूर्वक शोर लक्षण वर्णन और न्यूनीकरण के माध्यम से सीलबंद PMC, पिछले HC-PCF परिणामों के बराबर या उनसे बेहतर स्टेबिलिटी स्तर प्राप्त कर सकते हैं, यह पेपर ऑल-फाइबर-आधारित फ्रीक्वेंसी रेफरेंस की व्यवहार्यता को प्रमाणित करता है। यह प्रदर्शन विशेष रूप से अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है जहाँ कॉम्पैक्ट, मजबूत और उच्च-स्थिरता वाले ऑप्टिकल रेफरेंस की आवश्यकता होती है। यह कार्य सुझाव देता है कि हालांकि अनिवार्य HOM कपलिंग के कारण फाइबर सिस्टम में पैरासिटिक बीम्स को पूरी तरह से समाप्त नहीं किया जा सकता है, लेकिन फेज स्टेबिलाइज़ेशन और एम्प्लीट्यूड रिडक्शन तकनीकें उनके प्रभाव को प्रभावी ढंग से कम कर सकती हैं, जो भविष्य के फाइबर-आधारित मेट्रोलॉजी के लिए मार्ग प्रशस्त करती हैं।

डगमगाते लेजर और घोस्ट बीम्स की कहानी

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