Low-frequency fiber-optic vibration sensing with a Floquet-engineered optical lattice clock

समय-गणना (टाइमकीपिंग) लंबे समय से नौवहन, संचार और ब्रह्मांड की हमारी समझ का आधार रही है, लेकिन अब तक के सबसे सटीक घड़ियाँ एक जिद्दी दुश्मन का सामना करती हैं: उनके नीचे की जमीन। न्यूट्रल एटम ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक्स (neutral atom optical lattice clocks), जो प्रकाश के ग्रिड में फंसे परमाणुओं के कंपन को गिनकर समय रखते हैं, इतने संवेदनशील होते हैं कि गुजरते हुए ट्रक या दूर के भूकंप से होने वाली हल्की सी थरथराहट भी उन्हें विचलित कर सकती है। ये उपकरण, जो ऐसी स्थिरता के साथ समय मापने में सक्षम हैं कि वे ब्रह्मांड की आयु के दौरान भी एक सेकंड भी नहीं खोएंगे, पारंपरिक रूप से शांत, कंपन-पृथक प्रयोगशालाओं तक ही सीमित रहे हैं। उन्हें क्षेत्र (फील्ड) में, अंतरिक्ष में, या चलते हुए जहाजों पर ले जाने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले उन कम-आवृत्ति वाले कंपनों को मापना और रद्द करना सीखना होगा जो उन्हें परेशान करते हैं। साथ ही, इंजीनियरों ने ऐसे फाइबर-ऑप्टिक सेंसर विकसित किए हैं जो लंबी दूरी पर इन समान कंपनों का पता लगा सकते हैं, लेकिन शोर और सिग्नल की अस्पष्टता के कारण इन सेंसरों से बहुत कम आवृत्तियों पर संकेतों को पढ़ना कठिन साबित हुआ है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन दो दुनियाओं को जोड़ने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जिसमें यह सुझाव दिया गया है कि घड़ी का उपयोग स्वयं उन कंपनों को सुनने के लिए किया जा सकता है जो उसे खतरे में डालते हैं। घड़ी और सेंसर को अलग-अलग उपकरणों के रूप में मानने के बजाय, वे उन्हें एक एकल प्रणाली में बुनने की कल्पना करते हैं। इस सेटअप में, परमाणुओं के लिए जाल (ट्रैप) बनाने वाली प्रकाश किरण को एक लंबी ऑप्टिकल फाइबर कुंडली में भेजा जाता है और फिर वापस परावर्तित किया जाता है। यदि जमीन हिलती है, तो फाइबर खिंचता और संकुचित होता है, जिससे यात्रा के दौरान प्रकाश के समय में मामूली बदलाव आता है। प्रकाश के समय में यह सूक्ष्म परिवर्तन परमाणुओं को थामे रखने वाले प्रकाश जाल की स्थिति को बदल देता है। इस बदलते जाल के प्रति परमाणु कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, इसका सावधानीपूर्वक अवलोकन करके, शोधकर्ताओं का मानना है कि वे कंपन की सटीक प्रकृति को डिकोड कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण, जिसे हाल ही में एक अध्ययन में वर्णित किया गया है, घड़ी को एक अत्यधिक संवेदनशील कंपन डिटेक्टर में बदलने का लक्ष्य रखता है जो शोर के बीच भी काम कर सके।

इस प्रस्ताव का मूल एक चतुर तकनीक में निहित है जिसे 'फ्लोकेट इंजीनियरिंग' (Floquet engineering) नामक एक गणितीय अवधारणा कहा जाता है, जो वैज्ञानिकों को एक विशिष्ट, लयबद्ध तरीके से किसी प्रणाली को हिलाकर उसके व्यवहार को आकार देने की अनुमति देती है। शोधकर्ताओं के डिजाइन में, फाइबर का कंपन इसी लयबद्ध झटके के रूप में कार्य करता है। जब फाइबर कंपन करता है, तो वह प्रकाश क्षेत्र को मॉड्युलेट करता है, जिससे घड़ी के फ्रीक्वेंसी स्पेक्ट्रम में साइडबैंड्स (sidebands) की एक श्रृंखला बन जाती है। ये साइडबैंड्स कंपन के विशिष्ट 'फिंगरप्रिंट' की तरह कार्य करते हैं, जिससे सिग्नल को बैकग्राउंड शोर से अलग करना संभव हो जाता है। टीम ने स्ट्रोंटियम एटम क्लॉक के एक मॉडल का उपयोग करके इस प्रक्रिया का अनुकरण (सिमुलेशन) किया, और कुछ किलोमीटर लंबी फाइबर केबल के साथ सिस्टम के प्रदर्शन का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि फाइबर की लंबाई और उस कांच की गुणवत्ता जिसका उपयोग इसे बनाने में किया गया है, महत्वपूर्ण कारक हैं। जैसे-जैसे प्रकाश फाइबर के माध्यम से यात्रा करता है, वह स्वाभाविक रूप से अपनी कुछ शक्ति खो देता है, और यह हानि परमाणुओं को थामने वाले जाल को कमजोर कर देती है। यदि जाल बहुत उथला हो जाता है, तो परमाणु बाहर निकल सकते हैं या अप्रत्याशित व्यवहार कर सकते हैं, जिससे माप खराब हो जाता है।

सिमुलेशन ने फाइबर की गुणवत्ता और कम-आवृत्ति वाले कंपनों का पता लगाने की क्षमता के बीच एक स्पष्ट संबंध प्रकट किया। जब शोधकर्ताओं ने 2 डेसिबल प्रति किलोमीटर के ट्रांसमिशन लॉस वाले फाइबर का मॉडल तैयार किया, तो सिस्टम ने उल्लेखनीय प्रदर्शन किया। 200 हर्ट्ज़ की कंपन आवृत्ति पर, सेटअप एक फेज परिवर्तन (phase change) का पता लगाने में सक्षम था जिसकी संवेदनशीलता 6,000 रेडियन प्रति ग्राम त्वरण से अधिक थी। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि जब कंपन की आवृत्ति घटकर बहुत धीमी 5 हर्ट्ज़ रह गई, तो संवेदनशीलता लगभग 6,500 रेडियन प्रति ग्राम पर उच्च बनी रही। यह सुझाव देता है कि यह विधि पृथ्वी के धीमे, रोलिंग कंपनों या औद्योगिक मशीनरी की गहरी गूंज का प्रभावी ढंग से पता लगा सकती है। हालांकि, अध्ययन ने एक महत्वपूर्ण सीमा को भी रेखांकित किया। जब फाइबर लॉस बढ़कर 4 डेसिबल प्रति किलोमीटर हो गया, तो कम-आवृत्ति वाले इन सिग्नलों को पहचानने की क्षमता तेजी से गिर गई। 6 किलोमीटर लंबे फाइबर और उच्च लॉस के साथ 50 हर्ट्ज़ की आवृत्ति पर, कंपन की जानकारी को बैकग्राउंड से अलग करना लगभग असंभव हो गया। यह इंग l दर्शाता है कि हालांकि यह अवधारणा शक्तिशाली है, लेकिन यह लंबी दूरी तक कार्य करने के लिए उच्च गुणवत्ता वाले, कम-लॉस वाले फाइबर केबलों के उपयोग पर बहुत अधिक निर्भर है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि घड़ी को पढ़ने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर पल्स की शक्ति परिणामों में सुधार कैसे कर सकती है। क्लॉक लेजर के 'इंटरोगेशन पल्स एरिया' (शक्ति) को बढ़ाकर, उन्होंने पाया कि सिग्नल अधिक स्पष्ट हो गया और कंपन सिग्नल तथा शोर के बीच का कंट्रास्ट सुधर गया। यह सुझाव देता है कि ऑपरेटरों के पास विभिन्न स्थितियों को संभालने के लिए सिस्टम को ट्यून करने का विकल्प हो सकता है, शायद थोड़े शोर वाले वातावरण की भरपाई के लिए मजबूत पल्स का उपयोग किया जा सकता है। अध्ययन ने गणना की कि 4 किलोमीटर लंबे फाइबर और कम लॉस के साथ, सिस्टम 200 हर्ट्ज़ पर 8 माइक्रो-जी (micro-gs) और 5 हर्ट्ज़ पर लगभग 24 माइक्रो-जी के छोटे से त्वरण का भी पता लगा सकता है। ये अविश्वसनीय रूप से छोटे बल हैं, जो एक विशाल वस्तु पर धूल के एक नन्हे कण के वजन के बराबर हैं। टीम ने नोट किया कि इन सिग्नलों का पता लगाने की क्षमता अंततः घड़ी में परमाणुओं की संख्या द्वारा सीमित होती है; अधिक परमाणु होने से सिग्नल और भी मजबूत होगा, लेकिन वर्तमान सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह विधि मौजूदा तकनीक के साथ पहले से ही व्यवहार्य है।

यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि इसने सभी परिदृश्यों में कंपन की समस्या को हल कर लिया है, और न ही यह तैनात करने के लिए तैयार कोई पूर्ण उपकरण प्रस्तुत करता है। इसके बजाय, यह एक सैद्धांतिक रोडमैप और सिमुलेशन का एक सेट प्रदान करता है जो ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक्स को फाइबर-ऑप्टिक सेंसिंग के साथ मिलाने की क्षमता को प्रदर्शित करता है। निष्कर्ष बताते हैं कि सेंसर को सीधे घड़ी के ऑप्टिकल पाथ में एकीकृत करके, एक ऐसी प्रणाली बनाना संभव है जो कुछ प्रकार के शोर के प्रति प्रतिरोधी हो और उन कंपनों का पता लगा सके जो पहले मापने के लिए बहुत सूक्ष्म थे। अनुसंधान एक ऐसे भविष्य की ओर संकेत करता है जहाँ परिवहन योग्य और अंतरिक्ष-आधारित घड़ियाँ स्वयं के कंपन की सक्रिय रूप से क्षतिपूर्ति कर सकेंगी, जिससे वे प्रयोगशाला के बाहर अपनी पूर्ण सटीकता के साथ काम कर सकेंगी। फिलहाल, परिणाम केवल एक सिमुलेशन हैं, लेकिन वे एक ठोस तर्क प्रदान करते हैं कि इन दो तकनीकों का मिलन भूकंपीय संवेदन (seismic sensing), गहरे कुओं की निगरानी और वैश्विक समय-गणना की अगली पीढ़ी के लिए नई क्षमताएं खोल सकता है।