Remote Infrared Absorption Spectroscopy with Undetected Photons
यह शोध पत्र सह-प्रसारित फोटॉन युग्मों (co-propagating photon pairs) और एक पंप लेजर के माध्यम से केवल निकट-अवरक्त फोटॉन डिटेक्शन का उपयोग करके मिड-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा को पुनर्गठित करके, 43.4 मीटर तक की दूरी पर ब्यूटेन और मीथेन जैसी वायुमंडलीय गैसों के पहले रिमोट ओपन-पाथ फूरियर-ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी को प्रदर्शित करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक जासूस हैं जो एक अंधेरे, धुंधले कमरे में छिपे हुए चोर की पहचान करने की कोशिश कर रहे हैं। उन्हें पकड़ने के लिए, आपको आमतौर पर एक विशेष टॉर्च की आवश्यकता होती है जो धुंध के पार देख सके, लेकिन ये टॉर्च महंगी, नाजुक होती हैं और उन्हें काम करने के लिए फ्रीजर में रखा जाना चाहिए। अब, एक चतुर तरकीब की कल्पना करें जहाँ आपको चोर पर उस विशेष टॉर्च की रोशनी डालने की आवश्यकता नहीं है। इसके बजाय, आप जादुई जुड़वा बच्चों की एक जोड़ी भेजते हैं: एक जुड़वा "दृश्य" संदेशवाहक है जिसे आप आसानी से देख और पकड़ सकते हैं, और दूसरा "अदृश्य" खोजकर्ता है जो चोर को सूंघने के लिए धुंधले कमरे में जाता है। भले ही आप अदृश्य खोजकर्ता को कभी नहीं देखते, संदेशवाहक जुड़वा आपके पास एक गुप्त संदेश लेकर आता है कि खोजकर्ता ने क्या पाया। संदेशवाहक को सुनकर, आप ठीक से पुनर्गठन कर सकते हैं कि धुंध में क्या हुआ था, बिना उस महंगी, फ्रीजर-आधारित टॉर्च की आवश्यकता के। यह "क्वांटम स्पेक्ट्रोस्कोपी" नामक एक क्षेत्र का सार है, जहाँ वैज्ञानिक प्रकाश के कणों के जोड़ों के बीच उस रहस्यमयी संबंध का उपयोग करते हैं ताकि उन चीजों को मापा जा सके जिन्हें पकड़ना आमतौर पर बहुत कठिन होता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि हमारे आसपास की हवा अदृश्य गैसों से भरी है—कुछ जो हमारे ग्रह को गर्म करती हैं और कुछ जो खतरनाक रिसाव हैं—और उन्हें दूर से पहचानने में सक्षम होना, भारी या नाजुक उपकरणों की आवश्यकता के बिना, हमें अपने वायुमंडल को साफ करने और सुरक्षित रहने में मदद कर सकता है।
आप जो शोध पत्र पढ़ रहे हैं वह बताता है कि वैज्ञानिकों की एक टीम ने इस "जादुई जुड़वा" तरकीब को लिया और इसका उपयोग वास्तविक दुनिया में गैसों को सूंघने के लिए किया, जो पहले की तुलना में बहुत लंबी दूरी तक किया गया है। उन्होंने एक नया प्रकार का "प्रकाश यंत्र" बनाया जो इन जुड़वा कणों को खुली हवा में भेजता है, उन्हें एक दर्पण से टकराकर वापस लाता है, और एक डिटेक्टर तक ले जाता है। बड़ी सफलता यह रही कि वे इन प्रकाश जुड़वाओं को बाहरी वातावरण में 43.4 मीटर (लगभग 142 फीट) की दूरी तक भेज पाए और फिर भी एक स्पष्ट रीडिंग प्राप्त कर सके। इस तरह के "रिमोट सेंसिंग" के पिछले प्रयास एक रस्सी पर चलने (टाइटरोप वॉक) की तरह थे; यदि आप पथ को लंबा करने की कोशिश करते, तो मशीन हवा या कंपन से भ्रमित हो जाती और काम करना बंद कर देती। लेखकों ने इस समस्या को हल किया है, उन्होंने एक ऐसा सेटअप डिजाइन किया है जहाँ "जादुजी तरकीब" एक छोटे, स्थिर बॉक्स में होती है और प्रकाश जुड़वा एक ही बीम में दर्पण तक और वापस यात्रा करते हैं। क्योंकि वे एक साथ यात्रा करते हैं, इसलिए हवा की लहरें और कंपन उनके संबंध को खराब नहीं कर पाते, जिससे यह प्रणाली अविश्वसनीय रूप से मजबूत बन जाती है।
इस नए, स्थिर सेटअप का उपयोग करते हुए, टीम ने दो बड़ी सफलताएं प्रदर्शित कीं। सबसे पहले, उन्होंने एक गैस रिसाव का अनुकरण किया, जिसमें प्रकाश किरण के पथ में n-ब्यूटेन (एक गैस जो अक्सर लाइटर में पाई जाती है) को छोड़ा गया। वे इसे 23.3 मीटर की दूरी से पकड़ने में सक्षम थे, जिससे 196 ppm · m ± 74 ppm · m की सांद्रता की गणना की गई। यह सिद्ध करता है कि यह विधि दूर से अचानक होने वाले खतरनाक गैस रिसाव का पता लगा सकती है। दूसरा, और शायद इससे भी अधिक प्रभावशाली, उन्होंने खुले वातावरण का विश्लेषण करने के लिए इस प्रणाली का उपयोग किया। 21 मीटर की दूरी तक बाहरी वातावरण के माध्यम से यात्रा करने के बाद प्रकाश को मापकर, उन्होंने मीथेन (एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस) और जल वाष्प की पहचान सफलतापूर्वक की। उन्होंने 3.0 ppm ± 1.2 ppm की मीथेन सांद्रता और 1.3 × 10⁴ ppm ± 0.2 × 10⁴ ppm की जल वाष्प सांद्रता पाई।
यह शोध पत्र बहुत स्पष्ट है कि उन्होंने क्या किया और क्या नहीं किया। उन्होंने स्पष्ट रूप से नोट किया कि उनके स्पेक्ट्रल शोर (spectral noise) ने इंटरैक्शन लंबाई पर कोई दृश्य निर्भरता नहीं दिखाई, जिसका अर्थ है कि गुणवत्ता स्थिर रही भले ही उन्होंने दूरी को 3.0 मीटर से 43.4 मीटर तक बदला हो। हालाँकि, उन्होंने एक विशिष्ट सीमा को भी स्वीकार किया: स्पेक्ट्रम के कुछ क्षेत्रों में, हवा में जल वाष्प इतना घना होता है कि वह सिग्नल को "सैचुरेट" (संतृप्त) कर देता है, जिससे उन विशिष्ट स्थानों पर अन्य चीजों को देखना कठिन हो जाता है। प्रकाश स्पेक्ट्रम के जिन हिस्सों को देखने के लिए उन्होंने सावधानीपूर्वक चयन किया, उसके माध्यम से वे मीथेन सिग्नल को जल वाष्प के शोर से अलग करने में सफल रहे। यह केवल एक कंप्यूटर सिमुलेशन नहीं है; उन्होंने वास्तव में मशीन बनाई, बाहर निकले और वास्तविक गैसों को मापा। हालांकि वे सुझाव देते हैं कि भविष्य के संस्करणों को फील्ड टेस्ट के लिए बैकपैक में फिट होने के लिए छोटा किया जा सकता है, वे अभी तक यह दावा करने से बचते हैं कि यह बैकग्राउंड मीथेन के लिए एक पूर्ण, सब-पीपीएम (sub-ppm) निगरानी उपकरण है। इसके बजाय, वे इसे एक प्रमुख मील का पत्थर प्रस्तुत करते हैं: पहली बार जब इस "अनडिटेक्टेड फोटॉन" तकनीक का उपयोग खुले वातावरण के संयोजन को सफलतापूर्वक मापने के लिए किया गया है, जो हमारे आकाश की निगरानी करने के एक नए तरीके का मार्ग खोलता है।
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