⚛️ quantum physics

Observing dissipationless flow of an impurity in a strongly repulsive quantum fluid

अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं का उपयोग करते हुए, यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक सूक्ष्म अशुद्धि एक अत्यधिक प्रतिकर्षी एक-आयामी बोस गैस के माध्यम से बिना किसी घर्षण के आगे बढ़ सकती है, जो लैंडौ की उस पारंपरिक अपेक्षा को चुनौती देती है जिसमें 1D प्रणालियों में सुपरफ्लुइडिटी (अतितरलता) को असंभव माना गया था।

मूल लेखक: Milena Horvath, Sudipta Dhar, Elisabeth Wybo, Dimitrios Trypogeorgos, Yanliang Guo, Mikhail Zvonarev, Michael Knap, Manuele Landini, Hanns-Christoph Nägerl

प्रकाशित 2026-02-16

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Milena Horvath, Sudipta Dhar, Elisabeth Wybo, Dimitrios Trypogeorgos, Yanliang Guo, Mikhail Zvonarev, Michael Knap, Manuele Landini, Hanns-Christoph Nägerl

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाली पार्टी में चल रहे हैं। वास्तविक दुनिया में, जब आप भीड़ के बीच से गुजरने की कोशिश करते हैं, तो आप लोगों से टकराते हैं, वे आपसे टकराते हैं, और अंततः आप धीमे हो जाते हैं और रुक जाते हैं। यह घर्षण (friction) है। यह शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) का नियम है: यदि आप किसी तरल (जैसे पानी या हवा) के माध्यम से किसी चीज़ को धकेलते हैं, तो वह अंततः अपनी ऊर्जा खो देगा और रुक जाएगा।

अब, एक जादुई पार्टी की कल्पना करें जहाँ मेहमान इतने सटीक रूप से समन्वित (coordinated) हैं कि यदि आप उनके बीच से चलते हैं, तो वे आपसे बिल्कुल नहीं टकराते। आप बिना एक भी कदम गंवाए उनके बीच से फिसलते हुए निकल जाते हैं। इसे सुपरफ्लुइडिटी (superfluidity) कहा जाता है, और यह आमतौर पर परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान पर ही होता है।

द दशकों तक, भौतिकविदों का मानना था कि एक सख्त नियम (जिसे लैंडौ नामक व्यक्ति द्वारा प्रस्तावित किया गया था) था कि: "यदि आप परमाणुओं की एक एक-आयामी (one-dimensional) रेखा के माध्यम से एक सूक्ष्म कण के रूप में चलते हैं, तो आपको अंततः रुकना ही होगा।" तर्क यह था कि एक एकल-फाइल लाइन में, "भीड़" इतनी संवेदनशील होती है कि कोई भी हलचल ऊर्जा को तुरंत सोख लेती है।

लेकिन यह नया शोध पत्र कहता है: "इतना जल्दी नहीं!"

यहाँ वैज्ञानिकों द्वारा की गई खोज की कहानी सरल शब्दों में दी गई है:

सेटअप: एक एक-आयामी ट्रेन

शोधकर्ताओं ने एक वैक्यूम चैंबर के भीतर परमाणुओं की एक छोटी, अत्यंत ठंडी "ट्रेन" (सीज़ियम) बनाई। उन्होंने इन परमाणुओं को एक संकीर्ण ट्यूब में इस तरह दबा दिया ताकि वे केवल आगे या पीछे चल सकें, जैसे एक सिंगल-लेन टनल में गाड़ियाँ चलती हैं। यह उनका "स्ट्रॉन्गली रिपल्सिव क्वांटम फ्लूइड" (strongly repulsive quantum fluid) है।

फिर, उन्होंने एक एकल "इम्प्योरिटी" (impurity) पेश की—एक विशेष परमाणु जो हमारे धावक (runner) के रूप में कार्य करता है।

प्रयोग: स्प्रिंट (दौड़)

उन्होंने इस धावक-परमाणु को एक धक्का दिया, जिससे वह ट्यूब के माध्यम से अलग-अलग गति से दौड़ने लगा:

धीमी गति: जैसे कि एक हल्की जॉगिंग।
तेज़ गति: जैसे कि एक स्प्रिंट, जो भीड़ की "ध्वनि" (sound) से भी तेज़ है (सुपरसोनिक)।

पुराने नियमों के अनुसार, भले ही धावक तेज़ गति से शुरू करे, भीड़ एक "ट्रैफिक जाम" (शॉक वेव्स) पैदा कर देगी और धावक को तब तक धीमा कर देगी जब तक कि वह पूरी तरह से रुक न जाए।

आश्चर्य: द घोस्ट रनर (भूतिया धावक)

यही जादू वाला हिस्सा है। धावक कभी नहीं रुका।

शॉक वेव (Shock Wave): जब धावक बहुत तेज़ (सुपरसोनिक) गया, तो उसने एक "शॉक वेव" बनाई—भीड़ में एक अचानक लहर, जैसे कि कोई सोनिक बूम। भीड़ ने तुरंत प्रतिक्रिया दी (एक सूक्ष्म सेकंड जिसे "फर्मी टाइम" कहा जाता है)।
रूपांतरण (Transformation): रुकने के बजाय, धावक और भीड़ ने कुछ अजीब किया। वे एक साथ "नृत्य" करने लगे। धावक ने भीड़ से परमाणुओं का एक "कोट" ओढ़ लिया, जिससे वह एक नया, भारी, लेकिन अत्यधिक समन्वित अस्तित्व बन गया जिसे पोलरॉन (Polaron) कहा जाता है।
परिणाम: यह नया "पोलरॉन" अस्तित्व ट्यूब के माध्यम से अनंत काल तक चलता रहा, अपनी स्थिर गति बनाए रखी। वह रुका नहीं। उसने अपनी सारी ऊर्जा नहीं खोई। उसने भीड़ के बीच से बिना घर्षण के फिसलने का एक तरीका ढूंढ लिया।

यह एक बड़ी बात क्यों है?

इसे इस तरह सोचें:

पुराना दृष्टिकोण: यदि आप हाथ पकड़े हुए लोगों की एक कतार के बीच से दौड़ने की कोशिश करते हैं, तो आप उलझ जाएंगे, धीमे हो जाएंगे और रुक जाएंगे।
नई खोज: यदि भीड़ "क्वांटम" लोगों से बनी है, तो आप इतनी तेज़ दौड़ सकते हैं कि वे आपको केवल रास्ता देने के बजाय, वास्तव में आपसे जुड़ जाते हैं और आपके "दौड़ने के अंदाज़" का हिस्सा बन जाते हैं। आप एक "सुपर-धावक" में बदल जाते हैं जिसे भीड़ सहारा देती है, जिससे आप बिना थके हमेशा चलते रह सकते हैं।

"ड्रेस्ड" (पहनावे वाले) धावक का उदाहरण

कल्पना कीजिए कि एक धावक लंबी घास के मैदान से होकर स्प्रिंट करने की कोशिश कर रहा है।

सामान्य भौतिकी: घास झुकती है, टूटती है और धावक को धीमा कर देती है जब तक कि वह रुक न जाए।
यह प्रयोग: धावक इतना तेज़ है और घास इतनी "क्वांटम" है कि घास केवल झुकती नहीं है; बल्कि वह धावक के पैरों के चारों ओर लिपट जाती है, जिससे एक आदर्श एरोडायनामिक सूट बन जाता है। धावक और घास एक ही इकाई के रूप में चलते हैं। घर्षण गायब हो जाता है क्योंकि घास अब धावक से लड़ नहीं रही है; बल्कि वह उसे चलने में मदद कर रही है।

निष्कर्ष

यह प्रयोग सिद्ध करता है कि क्वांटम मैकेनिक्स की विचित्र दुनिया में, सूक्ष्म वस्तुएं तरल पदार्थों के माध्यम से बिना घर्षण के चल सकती हैं, भले ही ऐसी स्थितियों में जहाँ शास्त्रीय भौतिकी कहती है कि वे नहीं चल सकतीं।

यह ऐसा है जैसे यह पता चलना कि यदि आप भीड़ के बीच से पर्याप्त तेज़ी से दौड़ते हैं, तो भीड़ आपको रोकती नहीं है—बल्कि वे वास्तव में आपको हमेशा के लिए दौड़ने में मदद करते हैं। यह क्वांटम दुनिया में सूचना और पदार्थ के संचलन को समझने के नए रास्ते खोलता है, जो भविष्य में सुपर-फास्ट, घर्षण रहित कंप्यूटर और संचार प्रणालियों की ओर ले जा सकता है।

1. समस्या विवरण और संदर्भ

शास्त्रीय बनाम क्वांटम घर्षण: शास्त्रीय यांत्रिकी में, एक तरल पदार्थ के माध्यम से गति करने वाली अशुद्धि (impurity) अनिवार्य रूप से टकरावों के कारण घर्षण का अनुभव करती है, जिससे वह अंततः स्थिर हो जाती है। क्वांटम तरल पदार्थों में, सुपरफ्लुइडिटी (superfluidity) विहीन प्रवाह (dissipationless flow) की अनुमति देती है, लेकिन यह पारंपरिक रूप से लैंडौ के मानदंड (Landau's criterion) द्वारा नियंत्रित होती है।
1D में लैंडौ मानदंड का विरोधाभास: लैंडौ का मानदंड बताता है कि सुपरफ्लुइडिटी तब मौजूद होती है जब अशुद्धि का वेग $v$ $v$ , एक क्रिटिकल वेलोसिटी $v_c$ $v_{c}$ से कम हो, जो उत्तेजना स्पेक्ट्रम (excitation spectrum) के न्यूनतम ढाल द्वारा परिभाषित होती है ( $v_c = \min[\epsilon(p)/p]$ $v_{c} = min [ϵ (p) / p]$ )।
- एक-आयामी (1D) बोसोनिक प्रणालियों में, उत्तेजना स्पेक्ट्रम (प्लास्मोन शाखा) परिमित संवेग ( $k = 2k_F$ ) पर शून्य ऊर्जा तक गिर जाता है। फलस्वरूप, लैंडौ का मानदंड $v_c = 0$ की क्रिटिकल वेलोसिटी की भविष्यवाणी करता है।
- पारंपरिक अपेक्षा: इस आधार पर, किसी भी 1D बोस गैस के माध्यम से गति करने वाली किसी भी मैक्रोस्कोपिक वस्तु को घर्षण का अनुभव होना चाहिए और वह तुरंत रुक जानी चाहिए।
खुला प्रश्न: क्या यह मानदंड एक सूक्ष्म क्वांटम अशुद्धि (एक एकल परमाणु) के लिए लागू होता है, न कि एक मैक्रोस्कोपिक बाधा के लिए? सैद्धांतिक कार्यों ने सुझाव दिया था कि क्वांटम प्रभाव (विशेष रूप से पोलारोन अवस्था का निर्माण) एक सूक्ष्म अशुद्धि को 1D में भी बिना विसर्जन (dissipation) के गति करने की अनुमति दे सकते हैं, जो मैक्रोस्कोपिक लैंडौ भविष्यवाणी के विपरीत है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने इस परिदृश्य को प्रयोग के माध्यम से साकार करने और जांचने के लिए अत्यधिक ठंडे सीज़ियम-133 ( $^{133}\text{Cs}$ ) परमाणुओं का उपयोग किया।

प्रणाली की तैयारी:
- एक 2D ऑप्टिकल लैटिस द्वारा निर्मित लगभग 5,800 स्वतंत्र 1D ट्यूबों के सरणी (array) में एक बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (BEC) को लोड किया गया।
- प्रणाली को प्रबल रूप से इंटरैक्टिंग शासन (टनक्स-गिरार्डो गैस, $\gamma \gg 1$ ) में ट्यून किया गया जहाँ बोसोन फर्मियन्स की तरह व्यवहार करते हैं।
अशुद्धि निर्माण और इंजेक्शन:
- निर्माण: अशुद्धियों को होस्ट गैस के भीतर in situ रेडियो-फ्रीक्वेंसी (RF) पल्स का उपयोग करके $(3,3)$ हाइपरफाइन अवस्था (होस्ट) से $(3,2)$ अवस्था (अशुद्धि) में परमाणुओं के एक छोटे अंश को स्थानांतरित करके बनाया गया।
- त्वरण (Acceleration): प्रारंभ में, अशुद्धि-होस्ट इंटरैक्शन को बंद कर दिया गया ( $\gamma_i = 0$ )। अशुद्धियों को गुरुत्वाकर्षण द्वारा विशिष्ट प्रारंभिक संवेगों ( $Q$ ) तक त्वरित किया गया, जो होस्ट गैस के सापेक्ष सबसोनिक से सुप्रेसोनिक रेंज में थे।
- क्वेंच (Quench): वांछित संवेग प्राप्त होने के बाद, सिस्टम को मुक्त पतन (free fall) के लिए छोड़ दिया गया, और इंटरैक्शन स्ट्रेंथ $\gamma_i$ को तेजी से प्रबल रूप से प्रतिकर्षी (strongly repulsive) शासन तक बढ़ाया गया।
गतिशीलता और मापन:
- सिस्टम को $12 t_F$ (जहाँ $t_F$ फर्मी समय है, जो सिस्टम का विशिष्ट टाइमस्केल है) तक के समय के लिए विकसित किया गया।
- टाइम-ऑफ-फ्लाइट (ToF): विभिन्न समय चरणों पर, ट्रैप को बंद कर दिया गया और परमाणुओं की इमेजिंग की गई। विस्तार के दौरान चुंबकीय क्षेत्र ग्रेडिएंट ने होस्ट और अशुद्धि परमाणुओं को स्थानिक रूप से अलग कर दिया।
- डेटा विश्लेषण: एब्जॉर्प्शन इमेजिंग का उपयोग होस्ट गैस और अशुद्धि दोनों के संवेग वितरण $n(k)$ को पुनर्गठित करने के लिए किया गया।

3. प्रमुख योगदान

प्रथम प्रायोगिक अवलोकन: यह एक सूक्ष्म क्वांटम अशुद्धि के 1D क्वांटम फ्लूइड के माध्यम से बिना पूरी तरह रुके प्रसारित होने का पहला प्रयोगात्मक प्रदर्शन है, जो सीधे तौर पर 1D में लैंडौ के मानदंड की मैक्रोस्कोपिक व्याख्या को चुनौती देता है।
रियल-टाइम रिलैक्सेशन डायनेमिक्स: अध्ययन ने एक गैर-संतुलन प्रारंभिक अवस्था से एक स्थिर अवस्था (steady state) तक के पूर्ण रिलैक्सेशन पाथवे को ट्रैक किया, जिसमें शॉक वेव का निर्माण और अशुद्धि का 'ड्रेसिंग' (dressing) देखा गया।
पोलारोन भौतिकी का सत्यापन: परिणाम पुष्टि करते हैं कि अशुद्धि एक चलते हुए पोलारोन स्टेट (moving polaron state) का निर्माण करती है—एक दृढ़ता से सह-संबंधित (strongly correlated) कई-शरीर अवस्था जहाँ अशुद्धि होस्ट गैस के उत्तेजनाओं द्वारा "ड्रेस" की जाती है।

4. मुख्य परिणाम

सुपरसोनिक डायनेमिक्स और शॉक वेव्स:
- सुप्रेसोनिक प्रारंभिक वेगों ( $Q > k_F$ ) के लिए, अशुद्धि तेजी से होस्ट गैस को संवेग स्थानांतरित करती है।
- लगभग एक फर्मी समय ( $t \approx t_F$ ) के भीतर, एक शॉक वेव बनती है, जो होस्ट गैस में प्रारंभिक अशुद्धि संवेग पर केंद्रित एक विशिष्ट संवेग शिखर (momentum peak) के रूप में दिखाई देती है।
- अशुद्धि का संवेग वितरण विभाजित हो जाता है, जिसमें एक क्षणिक शिखर प्रारंभिक $Q$ पर बना रहता है और एक नया शिखर $k=0$ के पास बनता है।
विहीन स्थिर अवस्था (Dissipationless Steady State):
- इस अपेक्षा के विपरीत कि अशुद्धि रुक जाएगी ( $v=0$ ), अशुद्धि कभी भी पूरी तरह से नहीं रुकती।
- रिलैक्सेशन के बाद, अशुद्धि एक स्थिर अवस्था में सेटल हो जाती है जिसमें एक परिमित, गैर-शून्य संवेग ( $Q_f > 0$ ) होता है।
- अंतिम संवेग $Q_f$ , प्रारंभिक संवेग $Q$ और इंटरैक्शन स्ट्रेंथ $\gamma_i$ पर निर्भर करता है। कमजोर इंटरैक्शन के लिए, $Q_f$ , $Q$ के साथ रैखिक है; मजबूत इंटरैक्शन के लिए, $Q_f$ एक निचले मान पर संतृप्त (saturate) हो जाता है लेकिन गैर-शून्य रहता है।
रिलैक्सेशन टाइमस्केल्स:
- रिलैक्सेशन अत्यंत तीव्र है, जो फर्मी समय ( $t_F$ ) के पैमाने पर होता है।
- उच्च प्रारंभिक संवेग प्रारंभिक संवेग शिखर के तेजी से क्षय (depletion) की ओर ले जाते हैं।
सिद्धांत के साथ तुलना:
- मैट्रिक्स प्रोडक्ट स्टेट्स (MPS) और लीब-लिनिगर मॉडल पर आधारित संख्यात्मक सिमुलेशन प्रयोगात्मक डेटा के साथ गुणात्मक रूप से सहमत हैं।
- स्थिर-अवस्था संवेग वितरण एक चलते हुए पोलारोन के सैद्धांतिक पूर्वानुमान से मेल खाता है, जिसमें 1D सीमा में उभरते हुए एनयोनिक सहसंबंधों (anyonic correlations) के कारण एक असममित संवेग वितरण होता है।

5. महत्व और निहितार्थ

1D में सुपरफ्लुइडिटी को पुनर्परिभाषित करना: यह कार्य प्रदर्शित करता है कि जबकि लैंडौ का मानदंड सही ढंग से भविष्यवाणी करता है कि 1D में मैक्रोस्कोपिक वस्तुएं विहीन रूप से गति नहीं कर सकती हैं, यह सूक्ष्म क्वांटम अशुद्धियों पर लागू नहीं होता है। अशुद्धि की क्वांटम प्रकृति इसे फ्लूइड के साथ एक बाउंड स्टेट (पोलारोन) बनाने की अनुमति देती है जो परिमित-वेग गति का समर्थन करती है।
क्वांटम ट्रांसपोर्ट: निष्कर्षों से यह समझ मिलती है कि क्वांटम कई-शरीर प्रणालियों में पदार्थ और सूचना कैसे प्रसारित होती है। यह सुझाव देता है कि 1D क्वांटम तरल पदार्थों में सह-संबंधित अवस्थाओं के निर्माण के माध्यम से विसर्जन (dissipation) को दबाया जा सकता है।
भविष्य की दिशाएं:
- यह सेटअप बाइपोलारोन (दो अशुद्धियों के बाउंड स्टेट) को देखने का मार्ग प्रशस्त करता है।
- यह ट्रांसवर्स कन्फाइनमेंट और इंटरैक्शन स्ट्रेंथ को ट्यून करके क्वांटम फ्लटर (quantum flutter) (अशुद्धि के सुसंगत दोलन) और क्वांटम चेरेनकोव रेडिएशन के अध्ययन के द्वार खोलता है।
- यह मौलिक क्वांटम फ्लूइड सिद्धांतों का परीक्षण करते समय मैक्रोस्कोपिक और सूक्ष्म प्रोब के बीच अंतर करने के महत्व को रेखांकित करता।

संक्षेप में, यह शोध एक लंबे समय से चले आ रहे सैद्धांतिक विवाद को हल करता है, यह दिखाते हुए कि क्वांटम मैकेनिक्स सूक्ष्म अशुद्धियों के लिए घर्षण को समाप्त करने में सहयोग करता है, जिससे उन्हें एक 'ड्रेस्ड पोलारोन' के रूप में एक कम किए गए वेग पर अनिश्चित काल तक यात्रा करने की अनुमति मिलती है, जैसा कि शास्त्रीय सहज ज्ञान या मैक्रोस्कोपिक लैंडौ मानदंडों द्वारा सुझाया गया था।