Mid-infrared photon counting and resolving via efficient frequency upconversion

कल्पना कीजिए कि आप एक दूर के कमरे से आ रही बहुत धीमी फुसफुसाहट को सुनने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन वह कमरा ट्रैफिक के कान फोड़ देने वाले शोर से भरा हुआ है। इसके अलावा, आपके कान केवल ऊँची पिच वाली चीखों (high-pitched squeaks) को सुनने के लिए ट्यून किए गए हैं, न कि फुसफुसाहट की गहरी, धीमी गूँज को। यह वही चुनौती है जिसका सामना वैज्ञानिक "मिड-इन्फ्रारेड" (mid-infrared) प्रकाश का पता लगाने के लिए करते हैं। इस प्रकार का प्रकाश हमारी आँखों के लिए अदृश्य है और इसमें अणुओं और गैसों के बारे में बहुत सारी उपयोगी जानकारी होती है, लेकिन इसे पकड़ना बहुत कठिन है क्योंकि मानक सेंसर अक्सर शोर (noise) से जूझते हैं और उनमें प्रकाश के व्यक्तिगत "पैकेटों" (फोटोन) को गिनने की संवेदनशीलता की कमी होती है।

इस शोध पत्र में, चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए एक चतुर "अनुवादक" (translator) बनाया है। उन्होंने इसे कैसे किया, इसके लिए यहाँ सरल उपमाओं का उपयोग किया गया है:

1. समस्या: गलत भाषा

मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश को एक ऐसे व्यक्ति के रूप में सोचें जो एक दुर्लभ, कम-आवृत्ति (low-frequency) वाली भाषा बोल रहा है। हमारे पास मौजूद सबसे अच्छे माइक्रोफोन (डिटेक्टर) उच्च-आवृत्ति वाली भाषाओं (दृश्य प्रकाश/visible light) के लिए ट्यून किए गए हैं। कम-आवृत्ति वाले वक्ता को सीधे उच्च-आवृत्ति वाले माइक्रोफोन के साथ रिकॉर्ड करने का प्रयास करने पर केवल शोर, खराब गुणवत्ता और एकल शब्दों को सुनने में असमर्थता का परिणाम मिलता है।

2. समाधान: फ्रीक्वेंसी ट्रांसलेटर (आवृत्ति अनुवादक)

शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो एक समानांतर व्याख्याता (simultaneous interpreter) की तरह कार्य करता है। कम-आवृत्ति वाली भाषा के लिए एक नया माइक्रोफोन बनाने के बजाय, वे उस भाषा को उच्च-आवृत्ति वाली चीखों में अनुवादित करते हैं जिन्हें उनके मौजूदा, अत्यंत संवेदनशील माइक्रोफोन पूरी तरह से सुन सकते हैं।

• प्रक्रिया: वे अदृश्य मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश को एक शक्तिशाली, सिंक्रोनाइज़्ड लेजर बीम (जिसे "पंप" कहा जाता है) के साथ मिलाते हैं।
• जादू: एक विशेष क्रिस्टल के माध्यम से (जो प्रकाश के लिए एक 'मिक्सिंग बाउल' की तरह है), दोनों बीम आपस में मिलकर एक नई बीम बनाते हैं। इस नई बीम की आवृत्ति अधिक होती है, जिससे अदृश्य मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश दृश्य स्पेक्ट्रम (विशेष रूप से, एक ऐसा रंग जिसे हम देख सकते हैं) में स्थानांतरित हो जाता है।
• दक्षता: आमतौर पर, ये अनुवादक स्विच के दौरान मूल संदेश का बहुत सा हिस्सा खो देते हैं। हालाँकि, इस टीम ने अपने "मिक्सिंग" को इतनी सटीकता से ट्यून किया कि मूल प्रकाश का 80% बिना किसी नुकसान के अनुवाद के माध्यम से पहुँच गया। यह एक ऐसे अनुवादक की तरह है जो हर 10 में से 8 शब्दों को बिल्कुल सही तरीके से दोहराता है, न कि केवल 3।

3. परिणाम: फुसफुसाहट को गिनना

एक बार जब प्रकाश दृश्य स्पेक्ट्रम में अनुवादित हो जाता है, तो वे फोटोन को गिनने के लिए एक मानक, हाई-टेक सिलिकॉन डिटेक्टर (जैसे कि एक सुपर-सेंसिटिव कैमरा सेंसर) का उपयोग करते हैं।

• अत्यधिक संवेदनशीलता: क्योंकि उनका अनुवाद इतना कुशल था और उन्होंने "ट्रैफिक शोर" (बैकग्राउंड इंटरफेरेंस) को इतनी अच्छी तरह से फ़िल्टर किया, इसलिए उनकी प्रणाली अविश्वसनीय रूप से शांत है। उन्होंने ऐसी संवेदनशीलता प्राप्त की जो सर्वोत्तम मानक डिटेक्टरों की तुलना में चार गुना बेहतर और वर्तमान में उपलब्ध सबसे उन्नत, महंगे सुपर-कूल्ड डिटेक्टरों की तुलना में दस गुना बेहतर है।
• "पिक्सेल" का तरीका: यह गिनने के लिए कि एक एकल पल्स में कितने फोटोन हैं (केवल यह नहीं कि "क्या प्रकाश है?" बल्कि "कितने हैं?"), उन्होंने मल्टी-पिक्सेल फोटोन काउंटर (MPPC) नामक एक विशेष सेंसर का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि एक बड़ा कमरा है जिसमें 3,600 छोटे टाइल्स (पिक्सेल) हैं। जब एक फोटोन टकराता है, तो वह बेतरतीब ढंग से एक टाइल पर गिरता है। यदि दो फोटोन आते हैं, तो वे दो अलग-अलग टाइल्स पर गिर सकते हैं। यह गिनकर कि कितने टाइल्स चमक रहे हैं, सिस्टम यह बता सकता है कि एक बार में 1, 2 या यहाँ तक कि 9 फोटोन आए।

4. यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

शोध पत्र का दावा है कि यह सफलता निम्नलिखित कार्यों के लिए सक्षम बनाती है:

• सिंगल फोटोन को गिनना, जो इस विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर पहले बहुत कठिन था।
• फोटोन संख्या को स्पष्ट रूप से पहचानना (Resolving photon numbers) (यह बताना कि 1 फोटोन और 9 फोटोन के बीच क्या अंतर है) इस विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर पहली बार संभव हुआ।
• उपयोग: लेखकों ने विशेष रूप से उल्लेख किया है कि यह निम्न में मदद कर सकता है:
  • ट्रेस मॉलिक्यूल स्पेक्ट्रोस्कोपी (Trace molecule spectroscopy): विशिष्ट रसायनों की सूक्ष्म मात्रा का पता लगाना।
  • संवेदनशील जैव-रासायनिक संवेदन (Sensitive biochemical sensing): जैविक मार्करों को उच्च सटीकता के साथ खोजना।
  • फ्री-स्पेस संचार (Free-space communications): हवा के माध्यम से उच्च सुरक्षा और संवेदनशीलता के साथ डेटा भेजना।
  • लिडार (LIDAR): अत्यधिक सटीकता के साथ दूरी मापने के लिए प्रकाश का उपयोग करना।

सारांश

इस शोध को एक रेडियो अपग्रेड करने के रूप में देखें। एक स्थिर (static) और कम-आवृत्ति वाले स्टेशन को ट्यून करने के संघर्ष के बजाय, उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो उस स्टेशन को तुरंत एक स्पष्ट, उच्च-आवृत्ति वाले सिग्नल में बदल देता है जिसे कोई भी मानक रेडियो पूरी तरह से चला सकता है। यह उन्हें प्रकाश की उन सबसे हल्की फुसफुसाहटों को सुनने की अनुमति देता है जिन्हें पहले गिनना या अलग पहचानना असंभव था।