Formation of bosonic $^{23}$Na$^{41}$K Feshbach molecules

प्रयोगशाला के सबसे ठंडे क्षेत्रों में, जहाँ तापमान परम शून्य (absolute zero) के अत्यंत निकट पहुँच जाता है, परमाणु अपनी व्यक्तिगत अराजकता खो देते हैं और एक एकल, एकीकृत तरंग के रूप में हिलने-डुलने लगते हैं। यह अतिशीत क्वांटम गैसों (ultracold quantum gases) का क्षेत्र है, जहाँ वैज्ञानिक पदार्थ को उसके सबसे मौलिक व्यवहारों को प्रकट करने के लिए नियंत्रित करते हैं। इस क्षेत्र में सबसे रोमांचक उपकरणों में से एक 'फेशबैक अणु' (Feshbach molecules) हैं, जो परमाणुओं के ऐसे जोड़े हैं जो मजबूत रासायनिक बंधों द्वारा नहीं जुड़े हैं जो पानी या हवा बनाते हैं, बल्कि एक नाजुक, ट्यून करने योग्य चुंबकीय बल द्वारा जुड़े हुए हैं। एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को समायोजित करके, शोधकर्ता परमाणुओं के बीच आकर्षण की शक्ति को नियंत्रित कर सकते हैं, जिससे वे मुक्त रूप से तैरते कणों से बदलकर कमजोर रूप से बंधे जोड़ों में बदल जाते हैं। ये अणु एक महत्वपूर्ण पड़ाव हैं। यदि वैज्ञानिक उन्हें और अधिक ठंडा कर सकें और उनकी सबसे निचली ऊर्जा अवस्था में लॉक कर सकें, तो वे स्थायी, दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले कण बन जाते हैं जिनमें एक स्थायी विद्युत द्विध्रुव (electric dipole) होता है। ऐसे कण लंबी दूरी तक एक-दूसरे से संवाद करने वाले छोटे चुंबकों की तरह कार्य कर सकते हैं, जो जटिल सामग्रियों का अनुकरण करने, भौतिकी के नियमों का परीक्षण करने और भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के निर्माण के लिए एक नया मंच प्रदान करते हैं।

दक्षिण कोरिया के पोहांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब सोडियम और पोटेशियम परमाणुओं का उपयोग करके इन विशिष्ट प्रकार के अतिशीत अणुओं को बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम बढ़ाया है। जबकि पिछले प्रयोगों ने अन्य तत्वों के संयोजनों का उपयोग करके समान अणु सफलतापूर्वक बनाए हैं, इस समूह ने सोडियम-23 और पोटेशियम-41 के बोसोनिक संस्करण पर ध्यान केंद्रित किया। यह विशिष्ट संयोजन अत्यधिक मूल्यवान है क्योंकि इसमें शामिल परमाणुओं के गुण उन्हें क्वांटम पदार्थ के बड़े, स्थिर बादलों को बनाने के लिए असाधारण रूप से अच्छे उम्मीदवार बनाते हैं। टीम की मुख्य उपलब्धि इन अणुओं का सफल निर्माण और इस बात का विस्तृत मानचित्र तैयार करना था कि वे टूटने से पहले कितनी देर तक जीवित रहते हैं, जो इन कणों के पूर्ण क्वांटम-डिजेनरेट गैस बनाने के उद्देश्य वाले भविष्य के प्रयोगों के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है।

यह प्रक्रिया सोडियम और पोटेशियम के अतिशीत परमाणुओं के मिश्रण के साथ शुरू हुई जिन्हें लेजर प्रकाश की एक किरण में फँसाया गया था। परमाणुओं को 170 नैनोकेल्विन जैसे कम तापमान तक ठंडा किया गया, एक ऐसी अवस्था जहाँ वे अत्यंत धीमी गति से चलते हैं। उन्हें आपस में बांधने के लिए, शोधकर्ताओं ने लगभग 73.6 गॉस का एक विशिष्ट चुंबकीय क्षेत्र लगाया, एक ऐसी सेटिंग जहाँ परमाणु स्वाभाविक रूप से जोड़े बनाने के लिए प्रवृत्त होते हैं। फिर उन्होंने परमाणुओं को उनके मुक्त अवस्था से एक कमजोर रूप से बंधे आणविक अवस्था में धीरे से धकेलने के लिए रेडियो तरंगों के एक सटीक विस्फोट का उपयोग किया। रेडियो-फ्रीक्वेंसी एसोसिएशन (radio-frequency association) नामक यह तकनीक एक ट्यूनिंग फोर्क की तरह कार्य करती है जो मुक्त परमाणुओं और नए अणु के बीच के ऊर्जा अंतर से मेल खाती है, जिससे जोड़े को एक साथ जुड़ने की अनुमति मिलती है। एक ही पल्स में, टीम मुक्त बादल (thermal cloud) से 10,000 से अधिक सोडियम-पोटेशियम अणु बनाने में सफल रही।

एक बार अणु बन जाने के बाद, शोधकर्ताओं को आगे ठंडा करने के लिए सुनिश्चित करने हेतु उनके गुणों को समझने की आवश्यकता थी। उन्होंने रेडियो फ्रीक्वेंसी को स्कैन करके और अणुओं के प्रकट होने के समय को देखकर उन्हें जोड़ने वाली ऊर्जा को मापा। इसने उन्हें उस सटीक चुंबकीय क्षेत्र को निर्धारित करने की अनुमति दी जहाँ युग्मन (pairing) होता है, और इस रेजोनेंस की चौड़ाई निर्धारित की, जो कि 5.1 गॉस पर काफी व्यापक निकली। एक व्यापक रेजोनेंस एक मूल्यवान विशेषता है क्योंकि इसका अर्थ है कि वैज्ञानिक किसी एक, असंभव रूप से सटीक चुंबकीय क्षेत्र मान की आवश्यकता के बिना, परमाणुओं के बीच की अंतःक्रियाओं को एक विस्तृत श्रृंखला में ट्यून कर सकते हैं। यह मजबूती भविष्य के प्रयोगों के लिए इस प्रणाली को नियंत्रित करना बहुत आसान बनाती है।

इन अणुओं की स्थिरता उनके भविष्य के उपयोग के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारक है। शोधकर्ताओं ने मापा कि अणु ट्रैप में अन्य परमाणुओं से टकराकर टूटने से पहले कितनी देर तक टिके रहे। जब अणु सोडियम और पोटेशियम के मूल मिश्रण से घिरे थे, तो वे 2 मिलीसेकंड से अधिक समय तक जीवित रहे। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने ट्रैप से बचे हुए सोडियम परमाणुओं को हटा दिया, तो अणु काफी लंबे समय तक जीवित रहे, जो लगभग 7 मिलीसेकंड तक रहे। जीवनकाल में यह वृद्धि अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को अपने प्रयोग के अगले चरणों को करने के लिए पर्याप्त समय देती है, जैसे कि लेजर पल्स का उपयोग करके अणुओं को उनकी निम्नतम ऊर्जा अवस्था में स्थानांतरित करना। टीम ने पाया कि यह जीवनकाल विभिन्न चुंबकीय क्षेत्र सेटिंग्स में सुसंगत रहा, जो यह सुझाव देता है कि अणु उन टकरावों के विरुद्ध स्वाभाविक रूप से स्थिर हैं जो आमतौर पर उन्हें नष्ट कर देते हैं।

यह समझने के लिए कि ये अणु वास्तव में कैसे बने और क्यों नष्ट हुए, टीम ने एक गणितीय मॉडल विकसित किया जो समय के साथ अणुओं और परमाणुओं की संख्या को ट्रैक करता है। उन्होंने पाया कि अणुओं का निर्माण मुख्य रूप से इस बात से सीमित था कि रेडियो तरंगें परमाणुओं को कितनी तेजी से बांध सकती हैं, न कि इस बात से कि अणु तुरंत टूट जाते हैं। उनके मॉडल ने दिखाया कि अणु ज्यादातर बचे हुए सोडियम परमाणुओं के साथ टकराने के कारण नष्ट हुए, और यह हानि पोटेशियम परमाणुओं के साथ होने वाले टकरावों की तुलना में बहुत अधिक बार हुई। ट्रैप में सोडियम से पोटेशियम का अनुपात समायोजित करके, उन्होंने अधिकतम 11,000 अणुओं तक पहुँचने के लिए प्रक्रिया को अनुकूलित किया। यह मात्रात्मक समझ उन्हें यह अनुमान लगाने की अनुमति देती है कि विभिन्न स्थितियों के तहत उन्हें कितने अणु मिलेंगे, जिससे प्रक्रिया से अनुमान लगाने की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

ये परिणाम अनुसंधान के अगले चरण के लिए एक ठोस आधार का प्रतिनिधित्व करते हैं। टीम ने प्रदर्शित किया है कि वे इन विशिष्ट अणुओं की एक बड़ी संख्या और उच्च घनत्व के साथ उत्पादन कर सकते हैं, जो उन्हें क्वांटम डिजेनरेट गैस के रूप में और अधिक ठंडा करने के लिए एक पूर्व शर्त है। चूंकि अणु कई मिलीसेकंड के लिए स्थिर हैं, इसलिए उन्हें उनके पूर्ण ग्राउंड स्टेट में ले जाने के लिए आवश्यक जटिल लेजर तकनीकों को लागू करने के लिए पर्याप्त समय है, जहाँ वे रासायनिक रूप से स्थिर और उन्नत क्वांटम सिमुलेशन के लिए तैयार हो जाते हैं। बोसोनिक सोडियम-पोटेशियम अणुओं के इस सफल निर्माण और लक्षण वर्णन के साथ, अब दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले डिपोलर गैसों के समृद्ध भौतिकी की खोज का मार्ग साफ है, जो संभावित रूप से बड़े पैमाने पर क्वांटम पदार्थ कैसे व्यवहार करता है, इस बारे में नई खोजों की ओर ले जा सकता है।