Laser fractional frequency instability at with a room temperature optical reference cavity
यह शोध पत्र एक 68 सेमी कमरे के तापमान वाले ऑप्टिकल रेफरेंस कैविटी का उपयोग करके की रिकॉर्ड-तोड़ लेजर फ्रैक्शनल फ्रीक्वेंसी इनस्टेबिलिटी और 12 mHz लाइनविड्थ प्रदर्शित करता है, जो यह सिद्ध करता है कि क्रायोजेनिक कूलिंग के बिना भी अत्याधुनिक स्पेक्ट्रल शुद्धता प्राप्त की जा सकती है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक स्टॉपवॉच के साथ समय मापने की कोशिश कर रहे हैं जो इतनी सटीक है कि यदि यह ब्रह्मांड की शुरुआत में शुरू हुई होती, तो आज तक यह केवल एक सेकंड के एक अंश से ही विचलित होती। यही अल्ट्रा-स्टेबल लेजर (ultra-stable lasers) का लक्ष्य है, जो आधुनिक समय की गणना की धड़कन हैं।
लंबे समय तक, इनमें से सबसे अच्छे लेजरों को एक "क्रायोजेनिक" (cryogenic) वातावरण की आवश्यकता होती थी—जो अनिवार्य रूप से लिक्विड हीलियम या जटिल कूलिंग मशीनों का उपयोग करने वाला एक सुपर-कोल्ड फ्रीजर है—ताकि उन्हें स्थिर रखा जा सके। यह एक नाजुक कांच की मूर्ति को बर्फ के एक टुकड़े में रखकर उसे हिलने से बचाने की कोशिश करने जैसा था। हालांकि यह प्रभावी था, लेकिन ये सेटअप महंगे, भारी और लगातार चलते रहने के लिए कठिन थे।
यह शोध पत्र एक बड़ी सफलता का वर्णन करता है: नेशनल फिजिकल लैबोरेटरी (UK) की टीम ने एक ऐसा लेजर सिस्टम बनाया है जो सबसे अच्छे 'फ्रोजन' (जमे हुए) लेजरों जितना ही स्थिर है, लेकिन यह कमरे के तापमान (room temperature) पर काम करता है। उन्होंने इसे बिना किसी फ्रीजर के हासिल किया, जिससे उच्च-परिशुद्धता वाली समय-गणना अधिक लोगों के लिए सुलभ हो गई।
उन्होंने यह कैसे किया, यहाँ सरल उपमाओं के माध्यम से समझाया गया है:
1. "सुपर-रूलर" (ऑप्टिकल कैविटी)
उनके सिस्टम के केंद्र में 68 सेंटीमीटर लंबी एक कांच की ट्यूब है जिसे ऑप्टical कैविटी (optical cavity) कहा जाता है। इसे एक गलियारे के रूप में सोचें जिसके दोनों सिरों पर दो आदर्श दर्पण हैं। एक लेजर बीम इस गलियारे के भीतर लाखों बार वापस आती-जाती रहती है। इस गलियारे की लंबाई लेजर के "सुर" (फ्रीक्वेंसी) को निर्धारित करती है।
लेजर को स्थिर रखने के लिए, गलियारे की लंबाई एक परमाणु की चौड़ाई के बराबर भी नहीं बदलनी चाहिए। यदि गर्मी या कंपन के कारण गलियारा फैलता या सिकुड़ता है, तो लेजर का "सुर" डगमगा जाता है, और घड़ी गलत हो जाती है।
2. आकार का बदलाव: सिलेंडर से बॉक्स तक
स्थिर, लंबे कांच के ट्यूब बनाने के पिछले प्रयासों में बेलनाकार (cylindrical) आकार (जैसे रोलिंग पिन) का उपयोग किया जाता था। हालाँकि, ULE (अल्ट्रा-लो एक्सपेंशन) नामक विशेष कांच से एक लंबा, पूर्ण बेलन बनाना, एक घूमते हुए लेथ (lathe) पर साबुन के टुकड़े से एक पूर्ण मूर्ति तराशने जैसा है; यह टूटने या चटकने के प्रति संवेदनशील होता है।
टीम ने एक क्यूबॉइड (cuboid) आकार (एक आयताकार बॉक्स) पर स्विच किया।
- उपमा: लकड़ी के एक ब्लॉक को तराशने की कल्पना करें। एक घूमते हुए लेथ पर लकड़ी को घुमाकर और तराशने के बजाय, एक ब्लॉक को मेज पर स्थिर रखना और उस पर आरी चलाना बहुत आसान और सुरक्षित है।
- परिणाम: इस बॉक्स आकार ने उन्हें कांच को बिना किसी दोष के मशीन करने की अनुमति दी, जिससे एक लगभग पूर्ण "गलियारा" बना जो उन कंपनों के प्रति अविश्वसनीय रूप से प्रतिरोधी है जो आमतौर पर इन मापों को खराब कर देते हैं।
3. "सेल्फ-बैलेंसिंग" कुर्सी
एक पूर्ण बॉक्स होने के बावजूद, कांच को किसी चीज़ पर टिकना पड़ता है। यदि आप एक भारी बॉक्स को चार पैरों पर रखते हैं, तो एक पैर थोड़ा छोटा हो सकता है, या फर्श असमान हो सकता है, जिससे बॉक्स झुक सकता है या डगमगा सकता है।
टीम ने एक सेल्फ-बैलेंसिंग सपोर्ट सिस्टम (स्व-संतुलित सहायता प्रणाली) डिजाइन किया।
- उपमा: एक ऊबड़-खाबड़ फर्श पर रखी चार पैरों वाली मेज के बारे में सोचें। यदि आप एक कोने पर एक भारी किताब रखते हैं, तो मेज झुक सकती है। लेकिन कल्पना करें कि यदि उस मेज के नीचे एक विशेष "तैरता हुआ" आधार हो जो स्वचालित रूप से सभी चार पैरों पर दबाव को समायोजित करे ताकि वे सभी समान रूप से पीछे की ओर धक्का दें।
- क्रियान्वयन: उन्होंने सॉफ्ट रबर पैड्स (Viton) का उपयोग किया और कैविटी के ऊपर छोटे वजन (ट्यूनिंग मास) जोड़े। इन्हें सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने सिस्टम को इस तरह से "ट्यून" किया कि कैविटी गुरुत्वाकर्षण और कंपन के विरुद्ध पूरी तरह से संतुलित हो जाए, जिससे कंपन को प्रभावी रूप से रद्द किया जा सके।
4. "तीन-तरफा बातचीत" (स्थिरता को मापना)
आपको कैसे पता चलेगा कि आपका नया लेजर सबसे अच्छा है यदि आपके पास इसकी तुलना करने के लिए कोई बेहतर घड़ी नहीं है? आप इसे केवल देख नहीं सकते; आपको एक संदर्भ (reference) की आवश्यकता है।
टीम ने "थ्री-कॉर्नरड हैट" (Three-Cornered Hat) नामक एक चतुर तकनीक का उपयोग किया।
- उपमा: कल्पना करें कि तीन लोग (लेजर A, लेजर B, और लेजर C) समय बताने की कोशिश कर रहे हैं। आप केवल एक को सुनकर यह नहीं जान सकते कि कौन सही है। लेकिन यदि आप A और B के बीच की बातचीत, फिर B और C के बीच, और फिर A और C के बीच सुनते हैं, तो आप गणितीय रूप से यह पता लगा सकते हैं कि प्रत्येक व्यक्ति कितना भटक रहा है, भले ही आपको "वास्तविक" समय का पता न हो।
- परिणाम: अपने नए 68 सेमी लेजर (ULE68a) की तुलना दो अन्य उच्च-गुणवत्ता वाले लेजरों (ULE48a और ULE48b) के साथ करके, उन्होंने साबित किया कि उनका नया कमरे के तापमान वाला लेजर, बिना फ्रीजर वाले सिस्टम के लिए अब तक का सबसे स्थिर लेजर था।
मुख्य निष्कर्ष
टीम ने 4 × 10⁻¹⁷ की फ्रीक्वेंसी अस्थिरता हासिल की।
- इसका अर्थ क्या है: यदि इस लेजर का उपयोग घड़ी के रूप में किया जाता, तो यह 800 मिलियन वर्षों में एक सेकंड से भी कम समय खोता या पाता।
- लाइनविड्थ (Linewidth): लेजर इतना शुद्ध है कि इसका "रंग" अविश्वसनीय रूप से संकीर्ण (12 मिलीहर्ट्ज़) है, जो दुनिया के सबसे अच्छे लेजरों के बराबर है जिन्हें क्रायोजेनिक कूलिंग की आवश्यकता होती है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार):
यह कार्य सिद्ध करता है कि दुनिया के सबसे सटीक लेजर प्राप्त करने के लिए आपको जटिल, महंगे, लिक्विड-नाइट्रोजन-कूल्ड फ्रीजर की आवश्यकता नहीं है। एक चतुराई से आकार दिए गए कांच के बॉक्स और एक स्व-संतुलित कुर्सी का उपयोग करके, उन्होंने कमरे के तापमान पर इस स्तर की सटीकता को संभव बना दिया है। यह इन लेजरों को व्यापक रूप से उपयोग करने के द्वार खोलता है, जिसमें भविष्य में 'सेकंड' की पुनर्रचना (redefinition of the second) के लिए अंतराल को भरने हेतु एक निरंतर "फ्लाईव्हील" के रूप में उपयोग करना शामिल है।
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