Selective avoidance of multiple line-of-sight obstacles at 130~m using locally bending space-time wave packets
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि स्पंदित ऑप्टिकल बीमों के स्पेस-टाइम वेव पैकेट्स बनाने के लिए उनके स्पैटियोटेम्पोरल स्पेक्ट्रम को इंजीनियर करना उन्हें 130 मीटर तक की दूरी पर कई लाइन-ऑफ-साइट बाधाओं के चारों ओर स्थानीय रूप से मुड़ने में सक्षम बनाता है, जिससे वे चुनिंदा रूप से उन निर्धारित लक्ष्यों तक पहुँच पाते हैं जो अन्यथा बाधित हो जाते।
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कल्पना कीजिए कि आप अपने एक दोस्त को गेंद फेंकने की कोशिश कर रहे हैं जो आपसे 130 मीटर की दूरी पर खड़ा है। लेकिन एक समस्या है: एक विशाल, जिद्दी दीवार सीधे रास्ते को रोक रही है। यदि आप एक सामान्य गेंद फेंकते हैं, तो वह दीवार से टकराकर रुक जाएगी। यदि आप एक "जादुई" गेंद फेंकने की कोशिश करते हैं जो बूमरैंग की तरह दीवार के चारों ओर मुड़ती है, तो यह दीवार से तो बच सकती है, लेकिन यह आपके दोस्त को भी चूक सकती है क्योंकि यह लक्ष्य को हिट करने के बजाय मुड़ती ही रहती है।
सेंट्रल फ्लोरिडा यूनिवर्सिटी और अन्य संस्थानों के वैज्ञानिकों ने प्रकाश की एक ऐसी किरण बनाने का तरीका खोज निकाला है जो एक सुपरहीरो की तरह व्यवहार कर सके जो दोनों काम कर सके: यह एक दीवार से बच भी सकती है और फिर भी दूसरी ओर खड़े दोस्त को निशाना भी बना सकती है। वे इसे "लोकलली बेंडिंग स्पेस-टाइम वेव पैकेट" (स्थानीय रूप से मुड़ने वाला स्थान-समय तरंग पैकेट) कहते हैं।
उन्होंने इसे कैसे किया, यहाँ इसका विवरण दिया गया है, जिसमें एक लेजर और एक बहुत ही स्मार्ट दर्पण का उपयोग किया गया है।
सामान्य घुमावों के साथ समस्या
आमतौर पर, जब वैज्ञानिक प्रकाश को मोड़ते हैं, तो वे "एयरी बीम" (Airy beam) नामक चीज़ का उपयोग करते हैं। इसे एक घुमावदार सड़क पर चलती कार की तरह समझें। एक बार जब कार मुड़ जाती है, तो वह उसी वक्र पर रहती है। यदि आप सड़क पर एक पत्थर रख देते हैं, तो कार उसके चारों ओर से निकल जाती है, लेकिन वह अपने गंतव्य तक पहुँचने के लिए वापस सीधे पथ पर नहीं आती है। शोध पत्र का तर्क है कि यह "निश्चित वक्र" वाला दृष्टिकोण पर्याप्त नहीं है यदि आप किसी बाधा के पीछे स्थित विशिष्ट लक्ष्य को हिट करना चाहते हैं। आपको एक ऐसी किरण चाहिए जो स्थानीय रूप से मुड़ सके—जैसे कि एक कार जो गड्ढे से बचती है और तुरंत सीधा होकर हाईवे पर अपनी यात्रा जारी रखती है।
जादुई ट्रिक: एक ट्विस्ट के साथ लेजर
टीम ने एक विशेष लेजर का उपयोग किया जो प्रकाश के अविश्वसनीय रूप से छोटे पल्स (केवल 100 फेमटोसेकंड लंबे, जो एक सेकंड के एक ट्रिलियनवें हिस्से का एक दस लाखवां हिस्सा है) छोड़ता है। उन्होंने इस लेजर को एक डिफ्रैक्शन ग्रेटिंग (हजारों सूक्ष्म रेखाओं वाली सतह) के माध्यम से छोड़ा और फिर इसे एक "स्पेशियल लाइट मॉड्यूलेटर" (SLM) से टकराया। आप SLM को एक हाई-टेक, प्रोग्राम करने योग्य दर्पण के रूप में समझ सकते हैं जो प्रकाश की लहर में थोड़ा डिजिटल "फेज" ट्विस्ट जोड़कर उसके आकार को बदल सकता है।
इस दर्पण को सावधानीपूर्वक प्रोग्राम करके, उन्होंने प्रकाश को इस तरह से इंजीनियर किया कि उसका स्थानिक आकार (वह कहाँ है) और उसका लौकिक आकार (वह कब है) एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से आपस में जुड़ गए। इससे एक "स्पेस-टाइम वेव पैकेट" (STWP) बन जाता है।
प्रयोग: खुली हवा में दीवारों से बचना
शोधकर्ताओं ने इसे केवल कंप्यूटर सिमुलेशन में नहीं किया; वे इसे फ्लोरिडा में एक विशाल लेजर-परीक्षण सुविधा में खुले वातावरण में ले गए। उन्होंने एक खुले मैदान में 130 मीटर लंबा रास्ता तैयार किया।
उन्होंने कार्डबोर्ड के कटआउट का उपयोग करके दो कठिन परिदृश्यों का परीक्षण किया:
- "सैंडविच" परिदृश्य: उन्होंने बीच में एक लक्ष्य रखा, जिसके आगे और पीछे एक-एक बाधा रखी गई। लक्ष्य यह था कि सामने और पीछे की दोनों दीवारों से बचते हुए लक्ष्य को हिट किया जाए।
- "डबल ट्रबल" (दोहरी मुसीबत) परिदृश्य: उन्होंने लक्ष्य से पहले एक पंक्ति में दो बाधाएं रखीं। लक्ष्य यह था कि दोनों दीवारों से बचते हुए अंत में लक्ष्य को हिट किया जाए।
परिणाम: प्रकाश जिसे पता है कि कहाँ जाना है
अपने विशेष रूप से प्रोग्राम किए गए लेजर का उपयोग करके, वे बाधाओं के ठीक स्थान पर "नल" (nulls - ऐसे क्षेत्र जहाँ प्रकाश की तीव्रता लगभग शून्य हो जाती है) बनाने में सफल रहे।
- पहले परिदृश्य में: बीम पहले अवरोध के चारों ओर मुड़ी, लक्ष्य को हिट करने के लिए सीधी हुई, और फिर दूसरे अवरोध से बचने के लिए फिर से मुड़ी।
- दूसरे परिदृश्य में: बीम पहले अवरोध के चारों ओर मुड़ी, फिर दूसरे अवरोध के चारों ओर मुड़ी, और अंत में लक्ष्य को हिट किया।
जब उन्होंने लक्ष्यों पर पड़ने वाली शक्ति को मापा, तो परिणाम स्पष्ट थे। जब उन्होंने "डोज मोड" (बचने वाला मोड) चालू किया, तो कार्डबोर्ड बाधाओं पर लगने वाली प्रकाश की शक्ति घटकर मूल शक्ति का लगभग 25% रह गई (जिसका अर्थ है कि यह उनसे काफी हद तक बच गया), जबकि लक्ष्य पर पहुँचने वाला प्रकाश मजबूत और स्थिर रहा। बीम ने अनिवार्य रूप से बाधा के ठीक स्थान पर एक "छाया" या अंतराल बना दिया, जिससे बाकी बीम उसके चारों ओर बह सके और अपने सीधे पथ पर आगे बढ़ सके।
इसका क्या अर्थ है (और क्या नहीं)
शोध पत्र सुझाव देता है कि यह तकनीक रिमोट सेंसिंग जैसी चीजों के लिए गेम-चेंजर हो सकती है, जहाँ आपको किसी पेड़ या इमारत के पार देखने की आवश्यकता होती है, या "डायरेक्टेड एनर्जी" अनुप्रयोगों के लिए जहाँ आपको सामने की चीजों को जलाए बिना एक विशिष्ट स्थान को हिट करने की आवश्यकता होती है। यह चिकित्सा उपचार में भी मदद कर सकता है जहाँ एक लेजर को बीच में मौजूद स्वस्थ ऊतकों को नुकसान पहुँचाए बिना ट्यूमर तक पहुँचने की आवश्यकता होती है।
हालाँकि, लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह एक नई खोज है। वे सुझाव देते हैं कि भले ही उन्होंने खुले आसमान में 130 मीटर तक इसकी सफलता सिद्ध कर दी है, लेकिन अभी भी बहुत कुछ सीखना बाकी है। वे अभी तक यह नहीं जानते कि कोई बाधा कितनी बड़ी हो सकती है जिससे यह तकनीक काम करना बंद कर दे, या दो बाधाएं एक-दूसरे के कितने करीब होने पर बीम भ्रमित हो सकती है। उन्होंने यह भी उल्लेख किया कि उन्होंने दर्पण के पैटर्न को डिजाइन करने के लिए एक "ह्यूरिस्टिक" (एक स्मार्ट अनुमान और जांच विधि) का उपयोग किया, और उन्हें संदेह है कि भविष्य में मशीन लर्निंग का उपयोग बीम को अंतराल बनाने में और भी बेहतर बना सकता है।
तो, भले ही हम अभी यह नहीं कह सकते कि यह दुनिया की हर बाधा संबंधी समस्या को हल कर देता है, लेकिन शोध पत्र दिखाता है कि पहली बार हमारे पास एक ऐसा लेजर बीम है जो बाधाओं के साथ "डॉजबॉल" खेल सकता है और फिर भी सटीक निशाना लगा सकता है, और यह सब अधिकांश समय एक सीधी रेखा में चलते हुए करता है। यह एक चतुर, स्थानीय रूप से मुड़ने वाली तकनीक है जो प्रकाश को लक्ष्य पर बनाए रखती है।
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