Intrinsic atomic calibration of oscillating magnetic fields in ULF and VLF bands
यह शोध पत्र एक रेडियो-फ्रीक्वेंसी ऑप्टिकली पंप किए गए सीज़ियम मैग्नेटोमीटर का उपयोग करके ULF और VLF बैंड में दोलनशील चुंबकीय क्षेत्रों के आंतरिक, पूर्ण अंशांकन (कैलिब्रेशन) की एक विधि प्रस्तुत करता है, जो पारंपरिक प्रेरक सेंसरों की ज्यामितीय सीमाओं को दरकिनार करने के लिए RF-प्रेरित अनुनाद प्रवर्धन (रेजोनेंस ब्रॉडनिंग) का लाभ उठाता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक दूर स्थित स्टेशन से एक धुंधले संकेत को सुनने के लिए एक पुराने ज़माने के रेडियो को ट्यून करने की कोशिश कर रहे हैं। आमतौर पर, यह जानने के लिए कि वह संकेत वास्तव में कितना मजबूत है, आपको एक बहुत ही सटीक, पूर्व-अंशांकित (pre-calibrated) एंटीना की आवश्यकता होती है। लेकिन क्या होगा यदि वह एंटीना थोड़ा मुड़ा हुआ हो, या उसके अंदर के तार आपकी सोच से थोड़े अलग हों? आपका माप गलत हो जाएगा।
यह शोध पत्र उस "रेडियो" को ट्यून करने का एक चतुर नया तरीका प्रस्तुत करता है, जिसके लिए आपको एक आदर्श, पूर्व-निर्मित एंटीना की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, वैज्ञानिक एक विशेष सेंसर का उपयोग करते हैं जिसे रेडियो फ्रीक्वेंसी ऑप्टिकली पंपed मैग्नेटोमीटर (RF-OPM) कहा जाता है। इस सेंसर को एक धातु की कुंडली (coil) के रूप में नहीं, बल्कि एक कांच के जार में तैरते हुए नन्हे, घूमते हुए लट्टुओं (सीज़ियम परमाणुओं) के बादल के रूप में समझें।
"घूमते हुए लट्टू" और "धक्का"
सामान्यतः, ये परमाणु लट्टू एक स्थिर चुंबकीय क्षेत्र (जैसे कि एक स्थिर हवा) द्वारा निर्धारित एक विशिष्ट गति पर घूमते हैं। जब आप एक हिलता हुआ चुंबकीय क्षेत्र (वह रेडियो संकेत जिसे आप मापना चाहते हैं) जोड़ते हैं, तो यह लट्टुओं को तालमेल से बाहर धकेलने की कोशिश करता है।
वैज्ञानिकों ने महसूस किया कि वे इन लट्टुओं का उपयोग स्वयं 'रूलर' (माप दंड) के रूप में कर सकते हैं। यहाँ उपमा दी गई है:
- हल्का धक्का: यदि आप घूमते हुए लट्टुओं को एक छोटा सा धक्का देते हैं, तो वे थोड़ा डगमगाते हैं। आप जितना ज़ोर से धक्का देंगे, वे उतना ही अधिक डगमगाएंगे। यह "रैखिक" (linear) हिस्सा है जहाँ चीजें अनुमानित होती हैं।
- ज़ोरदार धक्का (सैचुरेशन/संतृप्ति): लेकिन, यदि आप उन्हें बहुत ज़्यादा ज़ोर से धक्का देते हैं, तो वे अभिभूत (overwhelmed) हो जाते हैं। वे बेतहाशा डगमगाने लगते हैं, और संकेत वास्तव में "फैल" (smear out) या विस्तृत हो जाता है। यह एक लट्टू को इतनी तेज़ी से घुमाने की कोशिश करने जैसा है कि वह हिलने लगता है और अपना आकार खोने लगता है।
शोध पत्र एक ऐसी विधि का वर्णन करता है जहाँ वे जानबूझकर इन परमाणु लट्टुओं को इतना ज़ोर से धक्का देते हैं कि वे इस "अभिभूत" अवस्था को देख सकें। यह देखकर कि लट्टू अपनी सीमा तक पहुँचने पर कैसे प्रतिक्रिया करते हैं, वैज्ञानिक बिना यह जाने कि धक्का देने वाली कुंडली का आकार या स्वरूप क्या है, धक्के की सटीक ताकत की गणना कर सकते हैं। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे कि यह जानना कि आपने गेंद को कितनी ज़ोर से लात मारी है, केवल यह देखकर कि गेंद कितनी दबती है, न कि आपके पैर की मांसपेशियों को मापकर।
यह एक बड़ी बात क्यों है
पुराने ज़माने के सेंसर (जैसे फ्लक्सगेट या सर्च कॉइल) मापने वाले कप की तरह होते हैं। यदि कप डेंट वाला है या उस पर लगे निशान गलत हैं, तो आपके तरल पदार्थ का माप भी गलत होगा। आपको अपने माप पर भरोसा करने के लिए उस कप को पूरी तरह से सटीक बनाना होगा।
यह नया तरीका जो शोध पत्र में वर्णित है, तरल पदार्थ का उपयोग स्वयं तरल पदार्थ को मापने के लिए करने जैसा है। क्योंकि "रूलर" सेंसर के भीतर मौजूद परमाणुओं से बना है, इसलिए यह मायने नहीं रखता कि उसके चारों ओर की धातु की कुंडली थोड़ी अपूर्ण है। परमाणु अपने स्वयं के भौतिक विज्ञान को पूरी तरह से जानते हैं। यह सेंसर को स्व-अंशांकित (self-calibrating) बनाता है।
उन्होंने वास्तव में क्या किया
टीम ने 300 Hz से 20 kHz (जो अल्ट्रा लो फ्रीक्वेंसी और वेरी लो फ्रीक्वेंसी बैंड को कवर करता है) की चुंबकीय तरंगों के साथ इस विचार का परीक्षण किया।
- उन्होंने सीज़ियम गैस से भरा एक कांच का सेल (cell) इस्तेमाल किया।
- उन्होंने परमाणुओं को घुमाने के लिए लेजर की रोशनी डाली।
- उन्होंने चुंबकीय क्षेत्रों के विभिन्न स्तरों को लागू किया ताकि देखा जा सके कि परमाणु उन पर कैसी प्रतिक्रिया देते हैं।
- उन्होंने पाया कि जब परमाणु अभिभूत हो जाते हैं, तो सिग्नल के "विस्तार" (broadening) का विश्लेषण करके, वे चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को अत्यधिक सटीकता के साथ निर्धारित कर सकते हैं।
उन्होंने यह भी मापा कि उनका सेंसर कितना "शांत" था। उन्होंने पाया कि उनका सेंसर अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील है, जिसका शोर स्तर (noise floor) 15 fT/√Hz (फेम्टोटेला) है। इसे समझने के लिए, यह एक फ्रिज मैग्नेट के चुंबकीय क्षेत्र से एक ट्रिलियन गुना छोटा है। उन्होंने दिखाया कि उनके सिस्टम में "शोर" (static) का मुख्य स्रोत प्रकाश (फोटोन) है जो डिटेक्टर से टकरा रहा है, जो कि भौतिकी की एक मौलिक सीमा है, जिसका अर्थ है कि वे सर्वोत्तम संभव प्रदर्शन के करीब काम कर रहे हैं।
निचोड़ (The Bottom Line)
यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता कि यह अभी बीमारियों का इलाज करता है या नए संचार नेटवर्क बनाता है। इसके बजाय, यह कमजोर चुंबकीय क्षेत्रों को मापने का एक नया, अत्यधिक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है।
यह कहता है: "इस बात की चिंता करना छोड़ दें कि आपका एंटीना पूरी तरह से निर्मित है या नहीं। इसके बजाय, देखें कि जब आप उन्हें उनकी सीमा तक धकेलते हैं तो आपके सेंसर के भीतर के परमाणु कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। वह प्रतिक्रिया आपको चुंबकीय क्षेत्र की सच्चाई बताएगी, चाहे आपका हार्डवेयर कैसा भी हो।" यह इस सेंसर को एक "व्यापक रूप से ट्यून करने योग्य नैरोबैंड रिसीवर" बनाता है जिसका उपयोग मोटी दीवारों के माध्यम से संचार, छिपी हुई वस्तुओं को खोजने, या भूमिगत चालकता (conductivity) का मानचित्र बनाने के लिए किया जा सकता है, बशर्ते कि संकेत उस विशिष्ट निम्न-आवृत्ति सीमा में हों।
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