Refrigeration of a 1D gas of microwave photons
यह शोध पत्र एक गैररेखीय जोसेफसन तत्व (nonlinear Josephson element) का उपयोग करके एक आयामी माइक्रोवेव फोटॉन गैस के लिए फोटॉन-संख्या-संरक्षण शीतलन तंत्र (photon-number-conserving cooling mechanism) को इंजीनियर करने हेतु एक योजना प्रस्तावित और विश्लेषित करता है, जो सब-मिलीकेल्विन गैर-साम्यावस्था स्थिर अवस्थाओं (nonequilibrium steady states) और एक नवीन संघनन संक्रमण (condensation transition) को सक्षम बनाता है।
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क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर प्रकाश को पकड़ने और नियंत्रित करने के लिए सुपरकंडक्टिंग धातुओं से सूक्ष्म सर्किट बनाते हैं। ये सर्किट लघु प्रयोगशालाओं की तरह कार्य करते हैं जहाँ फोटॉन (प्रकाश के कण) एक-दूसरे के साथ उन तरीकों से परस्पर क्रिया कर सकते हैं जो प्रकृति में असंभव हैं। इन अंतःक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए, शोधकर्ताओं को प्रकाश का अत्यंत ठंडा होना आवश्यक है, आदर्श रूप से अपनी निम्नतम ऊर्जा अवस्था में। आमतौर पर, यह तब प्राप्त किया जाता है जब पूरे सर्किट को एक विशाल रेफ्रिजरेटर के अंदर रखा जाता है जो परम शून्य (absolute zero) के ठीक ऊपर के तापमान तक सब कुछ ठंडा कर देता है। हालाँकि, इस मानक विधि में एक महत्वपूर्ण दोष है: जैसे-जैसे सर्किट ठंडा होता है, उसके भीतर का प्रकाश बस गायब हो जाता है। फोटॉन ठंड में लुप्त हो जाते हैं, जिससे वैज्ञानिकों के पास एक खाली सिस्टम बच जाता जिसका वे अध्ययन नहीं कर सकते। यह उन लोगों के लिए एक दुविधा पैदा करता है जो जटिल क्वांटम सामग्रियों का अनुकरण करने या नए सिद्धांतों का परीक्षण करने की कोशिश कर रहे हैं, क्योंकि उन्हें एक ऐसे सिस्टम की आवश्यकता होती है जो ठंडा भी हो और प्रकाश से भरा भी हो।
म्यूनिख तकनीकी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक चतुर तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने माइक्रोवेव फोटॉन की एक धारा को गायब किए बिना उसे ठंडा करने की एक विधि डिजाइन की। पूरे सिस्टम को जमाने और प्रकाश को खोने के बजाय, उन्होंने एक विशिष्ट तंत्र इंजीनियर किया जो ऊर्जा के लिए एक 'वन-वे स्ट्रीट' (एकतरफा रास्ते) की तरह कार्य करता है। अपने ट्रांसमिशन लाइन के एक छोर को एक विशेष, 'लॉसी' (ऊर्जा क्षय करने वाले) घटक से जोड़कर, उन्होंने एक ऐसी प्रक्रिया बनाई जहाँ उच्च-ऊर्जा वाले फोटॉन को निचले ऊर्जा स्तरों पर जाने के लिए मजबूर किया जाता है। जैसे-जैसे वे नीचे गिरते हैं, वे अपनी अतिरिक्त ऊर्जा को एक अलग "अपशिष्ट" (वेस्ट) चैनल में छोड़ देते हैं जो उस ऊर्जा को वातावरण में तेजी से बिखेर देता है। महत्वपूर्ण बात यह है कि यह प्रक्रिया फोटॉन को नष्ट नहीं करती है; यह केवल उन्हें एक शांत अवस्था में ले जाती है, जिससे प्रकाश की गैस उस तापमान तक पहुँच सकती है जो रेफ्रिजरेटर द्वारा प्रदान किए गए तापमान से कहीं कम है, जबकि फोटॉन की कुल संख्या बरकरार रहती है।
शोधकर्ताओं ने इस सेटअप का मॉडल एक लंबी, एक-आयामी तार (one-dimensional wire) का उपयोग करके तैयार किया जो प्रकाश की कई अलग-अलग आवृत्तियों (frequencies) को सहारा देती है। इसके एक छोर पर, उन्होंने सुपरकंडक्टिंग लूप्स से बने एक गैर-रेखीय (nonlinear) उपकरण को जोड़ा, जिसे जोसेफसन तत्व (Josephson element) कहा जाता है। इस उपकरण को एक बाहरी सिग्नल द्वारा संचालित किया गया था ताकि एक विशिष्ट अंतःक्रिया उत्पन्न की जा सके जहाँ उच्च-आवृत्ति मोड में एक फोटॉन स्वतः ही निम्न-आवृत्ति मोड के एक फोटॉन और वेस्ट चैनल में एक तीसरे फोटॉन में परिवर्तित हो सके। वेस्ट चैनल को बहुत अधिक 'लीकी' (leaky) बनाया गया था, जिसका अर्थ है कि वह प्राप्त की गई किसी भी ऊर्जा को तुरंत आसपास के वातावरण में डंप कर देगा। इसने एक निरंतर प्रवाह बनाया जहाँ फोटॉन लगातार उच्च ऊर्जा से निम्न ऊर्जा की ओर स्थानांतरित होते रहे, जिससे प्रभावी रूप से गैस ठंडी होती गई। टीम ने पाया कि यह इंजीनियर की गई कूलिंग प्रक्रिया उस प्राकृतिक प्रवृत्ति के साथ प्रतिस्पर्धा करती है जिसके कारण सिस्टम गर्म होता है और वातावरण में फोटॉन खो देता है। इन दोनों बलों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, उन्होंने भविष्यवाणी की कि एक स्थिर अवस्था (steady state) बनी रहेगी जहाँ प्रकाश सिस्टम में बना रहेगा लेकिन रेफ्रिजरेटर द्वारा रखे गए तापमान से बहुत ठंडी अवस्था में स्थिर हो जाएगा।
उनके विश्लेषण का एक सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्ष यह है कि यह कूलिंग प्रकाश के व्यवहार को इस तरह बदल देती है जो मानक भौतिकी को चुनौती देता है। एक सामान्य, साम्यावस्था (equilibrium) प्रणाली में, एक-आयामी प्रकाश की गैस को ठंडा करने पर आमतौर पर फोटॉन गायब हो जाते हैं। लेकिन इस इंजीनियर किए गए परिदृश्य में, सिस्टम की कुल ऊर्जा वातावरण के तापमान से जुड़ी होती है, जबकि फोटॉन की संख्या को कूलिंग तंत्र द्वारा संरक्षित किया जाता है। यह बेमेल स्थिति सिस्टम को अलग तरह से व्यवहार करने के लिए मजबूर करती है: जैसे-जैसे प्रकाश ठंडा होता है, प्रति कण कम ऊर्जा की भरपाई के लिए फोटॉन की कुल संख्या वास्तव में बढ़ जाती है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि वास्तविक प्रयोगात्मक सेटिंग्स के लिए, यह उन्हें कुछ दसवें मिलीकेल्विन (millikelvin) के तापमान तक सैकड़ों माइक्रोवेव फोटॉन की एक गैस तैयार करने की अनुमति दे सकता है। यह उन डिल्यूशन रेफ्रिजरेटर्स के आधार तापमान से काफी ठंडा है जिनका आमतौर पर इन प्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जो आमतौर पर लगभग बीस मिलीकेल्विन पर होते हैं।
अध्ययन ने एक नए प्रकार के 'फेज ट्रांजिशन' (अवस्था परिवर्तन) का भी खुलासा किया, जो एक अचानक होने वाला परिवर्तन है जो साधारण साम्यावस्था में नहीं होता है। जैसे-जैसे कूलिंग अधिक प्रभावी होती जाती है, फोटॉन सबसे निचले ऊर्जा स्तर में जमा होने लगते हैं, जिससे एक 'कंडेंसेट' (condensate) बनता है। एक मानक एक-आयामी प्रणाली में, ऐसा जमाव बिल्कुल भी अपेक्षित नहीं है। हालाँकि, क्योंकि शोधकर्ताओं का सेटअप फोटॉन की संख्या को सुरक्षित रखते हुए ऊर्जा को कम करता है, सिस्टम इस संघनित अवस्था में जाने के लिए मजबूर हो जाता है। टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके दिखाया कि यह संक्रमण तीव्र और स्पष्ट है, जिसमें अधिकांश फोटॉन 'ग्राउंड स्टेट' में एकत्र होते हैं जबकि उच्च ऊर्जा मोड अपेक्षाकृत खाली रहते हैं। यह व्यवहार बोस-आइंस्टीन कंडेंसेट (Bose-Einstein condensate) के निर्माण की नकल करता है, जो पदार्थ की एक ऐसी अवस्था है जहाँ कण एक एकल क्वांटम इकाई के रूप में कार्य करते हैं, लेकिन यह उन स्थितियों में होता है जो केवल निष्क्रिय कूलिंग से प्राप्त करना असंभव है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके विचार केवल सैद्धांतिक नहीं हैं, शोधकर्ताओं ने इस उपकरण को बनाने के लिए आवश्यक विशिष्ट सर्किट विवरणों पर काम किया। उन्होंने बताया कि कैसे एक विशिष्ट प्रकार के सुपरकंडक्टिंग लूप, जिसे SNAIL कहा जाता है, का उपयोग आवश्यक गैर-रेखीय अंतःक्रिया बनाने के लिए किया जा सकता है। इस लूप पर सावधानीपूर्वक समयबद्ध बाहरी चुंबकीय फ्लक्स लागू करके, वे अंतःक्रिया को प्रकाश मोड के विशिष्ट आवृत्ति अंतरों के साथ अनुनाद (resonate) करने के लिए ट्यून कर सकते थे। उनकी गणनाओं ने दिखाया कि प्रयोगशाला में अपेक्षित खामियों और शोर के बावजूद, सिस्टम स्थिर रहेगा। उन्होंने उल्लेख किया कि हालांकि सर्किट सामग्री के अवशेष प्रभाव प्रदर्शन को सीमित कर सकते हैं, लेकिन मुख्य तंत्र वर्तमान तकनीक के साथ प्रदर्शित करने के लिए पर्याप्त मजबूत है। यह कार्य संकेत देता है कि यह दृष्टिकोण क्वांटम सिमुलेशन के लिए एक शक्तिशाली उपकरण हो सकता है, जिससे वैज्ञानिक प्रकाश के साथ जटिल 'मेनी-बॉडी सिस्टम' का अध्ययन कर सकते हैं, जो पहले एक अप्राप्य क्षेत्र था।
इस कार्य के निहितार्थ केवल प्रकाश को ठंडा करने तक ही सीमित नहीं हैं। यह प्रदर्शित करके कि एक ऐसे जलाशय (reservoir) को इंजीनियर करना संभव है जो कणों की संख्या बदले बिना एक सिस्टम को ठंडा करता है, शोधकर्ताओं ने क्वांटम अवस्थाओं को नियंत्रित करने का एक नया मार्ग खोल दिया है। यह क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांतों के परीक्षण या विदेशी सामग्रियों के अनुकरण के लिए आवश्यक स्थिर, ठंडी पदार्थ अवस्थाओं के निर्माण की अनुमति दे सकता है। फोटॉन की गैस के लिए उप-मिलीकेल्विन तापमान तक पहुँचने की क्षमता, जबकि कणों का उच्च घनत्व बनाए रखा जाता है, एक लंबे समय से चली आ रही बाधा को हल करती है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनके परिणाम वर्तमान में विस्तृत सैद्धांतिक मॉडलों और सिमुलेशन पर आधारित हैं, लेकिन इस प्रकार का उपकरण बनाने के लिए आवश्यक घटक आधुनिक सुपरकंडक्टिंग सर्किटों में पहले से ही उपलब्ध हैं। यह इस बात को स्पष्ट करता है कि इस उपकरण का निर्माण नई भौतिकी की आवश्यकता के बजाय इंजीनियरिंग का मामला है, जो उन्नत क्वांटम प्रौद्योगिकियों को आगे बढ़ाने के लिए एक स्पष्ट और प्राप्त करने योग्य मार्ग प्रदान करता है।
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