Experimental observation and application of the genuine Quantum Mpemba Effect
यह शोध पत्र एक स्पिन-1/2 प्रणाली में वास्तविक क्वांटम एमपेम्बा प्रभाव (Quantum Mpemba Effect) का एक प्रयोगात्मक प्रदर्शन प्रस्तुत करता है, जो यह प्रकट करता है कि कैसे सुसंगति (coherence) तापीयकरण (thermalization) को त्वरित करती है और एक क्वांटम ओटो रेफ्रिजेरेटर की शीतलन शक्ति को बढ़ाती है।
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ऊष्मा और ऊर्जा की दुनिया में, एक लंबे समय से चली आ रही अंतर्ज्ञान यह है कि चीजें इस दर से ठंडी होती हैं जो इस बात पर निर्भर करती है कि वे कितनी गर्म हैं। उबलते पानी का एक कप कमरे के तापमान तक पहुँचने में गुनगुने पानी के कप की तुलना में अधिक समय लेता है क्योंकि इसमें खोने के लिए अधिक ऊष्मा होती है। यह प्रकृति का एक मौलिक नियम प्रतीत होता है, फिर भी सदियों से, कुछ जिज्ञासु पर्यवेक्षकों ने इसके अपवादों को नोट किया है। उन्होंने रिपोर्ट किया कि विशिष्ट परिस्थितियों में, एक गर्म वस्तु वास्तव में एक गर्म वस्तु की तुलना में अपने परिवेश तक तेजी से पहुँच सकती है। यह विरोधाभासी घटना, जिसे मपेम्बा प्रभाव (Mpemba effect) के रूप में जाना जाता है, अरस्तू के समय से बहस का विषय रही है और 1960 के दशक में एक तंजानियाई छात्र के नाम पर प्रसिद्ध हुई। जबकि वैज्ञानिकों ने पानी और कोलाइडल सस्पेंशन जैसी रोजमर्रा की सामग्रियों में इसका अध्ययन किया है, एक गहरा प्रश्न शेष था: क्या यह अजीब व्यवहार क्वांटम यांत्रिकी के क्षेत्र में मौजूद है, जहाँ कण बहुत सूक्ष्म स्तर के नियमों के अनुसार व्यवहार करते हैं? इसे समझना इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि क्वांटम सिस्टम भविष्य की तकनीकों के निर्माण खंड हैं, जैसे कि अति-तेज कंप्यूटर से लेकर अत्यधिक संवेदनशील सेंसर तक। यदि इन प्रणालियों को उनके वांछित अवस्थाओं में अधिक तेज़ी से स्थिर होने के लिए बनाया जा सकता है, भले ही वे अधिक अराजक या ऊर्जावान स्थिति से शुरू हों, तो यह क्वांटम उपकरणों को बनाने और संचालित करने के तरीके में क्रांति ला सकता है।
ब्राजील और चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब प्रायोगिक प्रमाण प्रदान किया है कि यह प्रभाव एक वास्तविक क्वांटम प्रणाली में सच है। उन्होंने एक एकल क्वांटम बिट, या क्वबिट (qubit) के साथ काम किया, जो एक छोटे चुंबक की तरह कार्य करता है जो विभिन्न दिशाओं में संकेत दे सकता है। अपने प्रयोग में, उन्होंने कार्बन और हाइड्रोजन परमाणुओं वाले एक तरल नमूने का उपयोग किया, और रेडियो तरंगों के माध्यम से परमाणु नाभिक के स्पिन (spins) को नियंत्रित किया। शोधकर्ताओं ने एक ऐसी स्थिति तैयार की जहाँ इस क्वांटम प्रणाली को एक पड़ोसी प्रणाली के साथ ऊष्मा का आदान-प्रदान करने की अनुमति दी गई, जो एक हीट सिंक (heat sink) के रूप में कार्य करती है, यानी एक भंडार जो ऊर्जा को अवशोषित करता है। उन्होंने क्वांटम प्रणाली को दो अलग-अलग शुरुआती अवस्थाओं में तैयार किया। पहले परिदृश्य में, प्रणाली एक ऐसी अवस्था में शुरू हुई जो अपने अंतिम, शांत साम्यावस्था (equilibrium) के अपेक्षाकृत करीब थी। दूसरे परिदृश्य में, उन्होंने प्रणाली को एक अलग अवस्था में बदलने के लिए रेडियो तरंगों के एक सटीक अनुक्रम का उपयोग किया जो वास्तव में साम्यावस्था से दूर थी और जिसमें उच्च ऊर्जा थी।
मानक ऊष्मप्रवैगिकी (thermodynamic) अपेक्षाओं के अनुसार, अधिक ऊर्जा वाली प्रणाली को ठंडा होने में अधिक समय लगना चाहिए। हालांकि, शोधकर्ताओं ने इसके विपरीत देखा। वह प्रणाली जो अधिक ऊर्जावान, रूपांतरित अवस्था से शुरू हुई, अपने अंतिम साम्यावस्था तापमान तक उस प्रणाली की तुलना में काफी तेजी से पहुँची जो साम्यावस्था के करीब से शुरू हुई थी। यह माप की कोई त्रुटि नहीं थी; टीम ने ठंडा होते समय प्रणाली की ऊर्जा को निरंतर ट्रैक किया। उन्होंने पाया कि दो कूलिंग पथ एक विशिष्ट समय पर एक-दूसरे को काटते हैं। इस क्रॉसिंग पॉइंट के बाद, वह प्रणाली जिसने "बेहतर" प्रारंभिक स्थिति से शुरुआत की थी, हमेशा "खराब" प्रारंभिक स्थिति वाली प्रणाली की तुलना में अंतिम अवस्था के अधिक करीब थी। पथों का यह मिलन क्वांटम मपेम्बा प्रभाव का निर्णायक हस्ताक्षर है।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, वैज्ञानिकों ने शीतलन प्रक्रिया के भीतर की यांत्रिकी को देखा। उन्होंने पाया कि एक क्वांटम प्रणाली के विश्राम (relax) की गति इस बात पर निर्भर करती है कि उसके आंतरिक गुण पर्यावरण के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। प्रणाली के व्यवहार के विभिन्न मोड होते हैं, जिनमें से कुछ बहुत तेज़ी से क्षय (decay) होते हैं और कुछ बहुत धीरे-धीरे। शोधकर्ताओं ने पाया कि जो अवस्था तेजी से ठंडी हुई, उसे सावधानीपूर्वक इस तरह इंजीनियर किया गया था कि वह धीमे-क्षय होने वाले मोड (slow-decaying modes) से पूरी तरह बच सके। इसके बजाय, यह लगभग पूरी तरह से तेजी से-क्षय होने वाले मोड से बनी थी। एक विशिष्ट रूपांतरण का उपयोग करके, उन्होंने प्रभावी रूप से प्रणाली के व्यवहार के "धीमे" भाग को हटा दिया, जिससे यह तेजी से साम्यावस्था की ओर फिसल सका। इसके विपरीत, जो प्रणाली साम्यावस्था के करीब से शुरू हुई थी, उसमें अभी भी धीमे-क्षय होने वाले व्यवहार की एक महत्वपूर्ण मात्रा मौजूद थी, जिसने एक बाधा (bottleneck) के रूप में कार्य किया, जिससे शीतलन प्रक्रिया लंबी खिंच गई।
टीम केवल इस घटना को देखने तक ही नहीं रुकी; उन्होंने यह भी प्रदर्शित किया कि इसका उपयोग एक मशीन को बेहतर बनाने के लिए कैसे किया जा सकता है। उन्होंने इस प्रभाव को एक क्वांटम रेफ्रिजरेटर पर लागू किया, जो एक सैद्धांतिक उपकरण है जिसे ठंडे स्थान से ऊष्मा को बाहर पंप करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक मानक चक्र में, रेफ्रिजरेटर को अगले चरण पर जाने से पहले वर्किंग फ्लूइड (working fluid) के पूरी तरह से ठंडा होने की प्रतीक्षा करनी पड़ती है। विशेष, रूपांतरित अवस्था में वर्किंग फ्लूइड को तैयार करने के लिए क्वांटम मपेम्बा प्रभाव का उपयोग करके, शोधकर्ता शीतलन चरण से पहले पूरे चक्र को तेज करने में सक्षम रहे। इससे रेफ्रिजरेटर पूरे चक्र को तेजी से पूरा करने में सक्षम हुआ, जिससे इसकी शीतलन शक्ति लगभग छह प्रतिशत बढ़ गई। हालांकि यह प्रतिशत छोटा लग सकता है, लेकिन क्वांटम प्रौद्योगिकियों के संदर्भ में जहाँ चक्र माइक्रोसेकंड में होते हैं, ऐसी सुधार महत्वपूर्ण है। यह सिद्ध करता है कि क्वांटम अवस्थाओं की आंतरिक संरचना को समझकर और हेरफेर करके, वैज्ञानिक प्राकृतिक बाधाओं को पार कर क्वांटम मशीनों को अधिक कुशल और शक्तिशाली बना सकते हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि क्वांटम दुनिया के अजीब नियमों का उपयोग व्यावहारिक समस्याओं को हल करने के लिए किया जा सकता है, जिससे एक विरोधाभासी जिज्ञासा को भविष्य की तकनीक के लिए एक उपयोगी उपकरण में बदला जा सकता है।
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