Carrier-Envelope Phase Control of Orbital Angular Momentum in Solid-State High-Harmonic Generation
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि फ्यू-साइकिल ऑप्टिकल वोर्टिसेस (few-cycle optical vortices) द्वारा संचालित सॉलिड-स्टेट हाई-हारमोनिक जनरेशन में, उत्सर्जित विकिरण का टोपोलॉजिकल चार्ज, टूटे हुए क्रिस्टल इनवर्जन सिमेट्री और सब-साइकिल इलेक्ट्रॉन डायनेमिक्स के बीच परस्पर क्रिया के माध्यम से कैरियर-एनवेलप फेज (carrier-envelope phase) द्वारा गतिशील रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे संरचित एटोसैक सेकंड प्रकाश स्रोतों को अनुकूलित करना संभव हो जाता है।
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प्रकाश को केवल एक किरण के रूप में नहीं, बल्कि एक घूमते हुए लट्टू (spinning top) के रूप में कल्पना करें। भौतिकी की दुनिया में, प्रकाश आमतौर पर सीधी रेखाओं में चलता है, लेकिन वैज्ञानिकों ने इसे एक पेंचदार (corkscrew) आकार में घुमाने का तरीका खोज निकाला है। इस घुमाव को "ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम" (OAM) कहा जाता है। इसे एक घुमावदार सीढ़ी (spiral staircase) की तरह समझें; प्रकाश केवल आगे ही नहीं बढ़ता, बल्कि यह अपने केंद्र के चारों ओर भी घूमता है। इस मुड़े हुए बीम का प्रत्येक फोटॉन एक विशिष्ट मात्रा में स्पिन (घूर्णन) वहन करता है, जिसे "टोपोलॉजिकल चार्ज" के रूप में जाना जाता है। आमतौर पर, यह स्पिन बहुत ही अनुमानित होता है: यदि आप आने वाले प्रकाश को एक बार घुमाते हैं, तो बाद में बनने वाला प्रकाश ठीक उतनी ही बार घूमेगा जितनी बार उसकी तरंगें (waves) गुजरी थीं। यह ब्रह्मांड के एक सख्त नियम की तरह है: जितना स्पिन अंदर, उतना ही बाहर, कोई सरप्राइज नहीं।
लेकिन क्या होगा अगर हम उस नियम को तोड़ सकें? क्या होगा अगर हम लेजर पर एक छोटे, अदृश्य नॉब (knob) को बदलकर प्रकाश के स्पिन को बदल सकें? यही सवाल वैज्ञानिक "हाई-हारमोनिक जनरेशन" (High-Harmonic Generation) के क्षेत्र में पूछ रहे हैं। यह एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ एक शक्तिशाली लेजर को किसी पदार्थ (जैसे क्रिस्टल) से टकराकर नई, अत्यंत तीव्र और अधिक ऊर्जावान प्रकाश की चमक निकाली जाती है। लंबे समय तक, सभी ने सोचा कि घूमने का यह नियम अटूट है। हालाँकि, अल्ट्रा-शॉर्ट लेजर पल्स—ऐसी चमक जो इतनी तेज़ होती है कि वे एक तरंग के केवल कुछ चक्रों तक ही रहती हैं—के हालिया प्रयोगों से पता चला है कि इस स्पिन को नियंत्रित करने का एक छिपा हुआ तरीका हो सकता है। यदि हम इसमें महारत हासिल कर लेते हैं, तो हम भविष्य की तकनीकों, जैसे कि सुपर-फास्ट कंप्यूटर या उन्नत चिकित्सा इमेजिंग के लिए अविश्वसनीय रूप से तेज़, संरचित प्रकाश स्रोतों का निर्माण कर सकते हैं।
कहानी में मोड़: जब प्रकाश नियम तोड़ता है
हाल के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने प्रकाश को चलते-फिरते बदलने का एक तरीका खोजा, लेकिन केवल बहुत विशिष्ट, लगभग जादुई स्थितियों में। उन्होंने केवल प्रकाश को घुमाने का नया तरीका नहीं खोजा; उन्होंने प्रकाश के स्पिन को एक छिपे हुए सेटिंग "कैरियर-एनवेलप फेज" (CEP) के आधार पर आगे-पीछे बदलने का तरीका खोजा।
इसे समझने के लिए, लेजर पल्स की कल्पना एक लहर पर सवार सर्फर के रूप में करें। "कैरियर" (carrier) स्वयं लहर है, और "एनवेलप" (envelope) सर्फबोर्ड का वह आकार है जो सर्फर को थामे रखता है। CEP वह सटीक क्षण है जब सर्फर लहर के शिखर के सापेक्ष बोर्ड पर कदम रखता है। अधिकांश मामलों में, इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि वे कब कदम रखते हैं; सवारी वैसी ही दिखती है। लेकिन इस प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने "फ्यू-साइकिल" (few-cycle) पल्स का उपयोग किया—ऐसे सर्फबोर्ड जो इतने छोटे हैं कि वे सर्फर को केवल लगभग 1.5 तरंगों के लिए ही थामे रखते हैं। इस सूक्ष्म अंतराल में, सटीक समय (CEP) सब कुछ बदल देता है।
टीम ने जिंक ऑक्साइड (ZnO) से बने एक क्रिस्टल पर इन अल्ट्रा-शॉर्ट, मुड़े हुए लेजर पल्स (वोर्टेक्स बीम) दागे। वे यह देखने के लिए उत्सुक थे कि बाहर निकलने वाले प्रकाश (हारमोनिक रेडिएशन) का "घुमाव" स्थिर रहेगा या वह उस सूक्ष्म CEP नॉब के आधार पर बदलेगा।
जादुधिक सामग्रियां: समरूपता को तोड़ना और लघु पल्स
शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रकाश का घुमाव बदला तो, लेकिन केवल तभी जब दो बहुत विशिष्ट सामग्रियों को मिलाया गया। यह एक ऐसी रेसिपी की तरह थी जिसमें आपको आटा और अंडे दोनों चाहिए; यदि आप एक भी छोड़ देते हैं, तो केक नहीं फूलेगा।
लघु पल्स (The Short Pulse): लेजर का अविश्वसनीय रूप से छोटा होना आवश्यक था, लगभग 1.5 चक्र लंबा (लगभग 16 फेम्टोसेकंड)। यदि वे लंबे पल्स (जैसे 4 चक्र या अधिक) का उपयोग करते, तो यह प्रभाव गायब हो जाता। पल्स का छोटा होना क्रिस्टल के भीतर के इलेक्ट्रॉनों को इस तरह से प्रतिक्रिया करने के लिए प्रेरित करता है जो CEP टाइमिंग नॉब के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है।
टूटा हुआ क्रिस्टल (The Broken Crystal): क्रिस्टल को एक विशिष्ट तरीके से काटा जाना चाहिए था ताकि इसकी "समरूपता (symmetry) को तोड़ा जा सके।" उन्होंने ZnO के एक विशिष्ट कट का उपयोग किया जिसे "ए-कट" (aZnO) कहा जाता है। इस ओरिएंटेशन में, क्रिस्टल की आंतरिक संरचना असंतुलित होती है, जिससे यह सम-संख्या वाले हारमोनिक्स (जैसे 4, 6, 8) उत्पन्न करने की अनुमति देती है जो आमतौर पर सममित (symmetrical) क्रिस्टल में नहीं होते हैं।
जब उन्होंने लघु पल्स को "असमान" क्रिस्टल के साथ मिलाया, तो कुछ अद्भुत हुआ। जैसे ही उन्होंने CEP नॉब को घुमाया, बाहर निकलने वाले प्रकाश का टोपोलॉजिकल चार्ज केवल डगमगाया नहीं; वह बदल गया (switch)। यह दो अलग-अलग पूर्णांक मानों के बीच कूद गया, जैसे कि एक लाइट स्विच "5" और "6" के बीच फ्लिप कर रहा हो।
यह क्यों बदला?
बाहर निकलने वाले प्रकाश की कल्पना एक ऐसे गायक मंडली (choir) के रूप में करें जो एक ही समय में दो अलग-अलग स्वर गा रही है। एक सामान्य स्थिति में, एक स्वर इतना तेज़ होता है कि आप केवल वही सुनते हैं। लेकिन इस प्रयोग में, लघु पल्स और टूटे हुए क्रिस्टल ने दो स्वरों (5वें और 6वें हारमोनिक्स) को इतना ओवरलैप कर दिया कि वे एक साथ गाने लगे।
CEP नॉब एक गायक मंडली के लिए वॉल्यूम फेडर (volume fader) की तरह काम करता है। जब नॉब को एक स्थिति पर सेट किया गया, तो "5" वाला स्वर अधिक तेज़ था, इसलिए प्रकाश ऐसा दिखा जैसे उसका घुमाव 5 हो। जब उन्होंने नॉब घुमाया, तो "6" वाला स्वर अधिक तेज़ हो गया, और प्रकाश अचानक ऐसा दिखने लगा जैसे उसका घुमाव 6 हो। शोधकर्ताओं ने देखा कि प्रकाश अब केवल एक साफ घुमाव नहीं था; कभी-कभी यह एक अव्यवस्थित, "आंशिक" (fractional) घुमाव जैसा दिखता था, जो तब होता है जब दो अलग-अलग स्पिन प्रभुत्व के लिए संघर्ष कर रहे हों।
क्या काम नहीं आया?
वैज्ञानिकों ने सावधानीपूर्वक परीक्षण किया कि क्या काम नहीं आया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि उनकी रेसिपी ही परिणाम पाने का एकमात्र तरीका थी।
- सममित क्रिस्टल (Symmetrical Crystals): जब उन्होंने उसी क्रिस्टल के एक अलग कट (c-cut ZnO) का उपयोग किया, जो सममित है और केवल विषम-संख्या वाले हारमोनिक्स उत्पन्न करता है, तो स्विच कभी नहीं हुआ। प्रकाश अडिग रहा, चाहे उन्होंने CEP नॉब को कितना भी घुमाया हो।
- लंबे पल्स (Long Pulses): जब उन्होंने लेजर पल्स को लंबा (लगभग 77 या 186 फेम्टोसेकंड) कर दिया, तो CEP संवेदनशीलता गायब हो गई। इलेक्ट्रॉन सूक्ष्म समय परिवर्तनों के प्रति प्रतिक्रिया करना बंद कर गए, और प्रकाश का घुमाव फिर से स्थिर हो गया।
बड़ी तस्वीर
यह खोज एक बड़ी बात है क्योंकि यह दिखाती है कि "कैरियर-एनवेलप फेज" प्रकाश को आकार देने का एक नया उपकरण है। इससे पहले, हम सोचते थे कि उच्च-ऊर्जा वाले प्रकाश का घुमाव भौतिकी के सख्त नियमों द्वारा लॉक होता है। अब, हम जानते हैं कि अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स और विशिष्ट क्रिस्टल का उपयोग करके, हम उस घुमाव को गतिशील रूप से नियंत्रित करने के लिए CEP का उपयोग कर सकते हैं।
शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह "वेवफॉर्म-कंट्रोल्ड स्ट्रक्चर्ड एटोसेकंड लाइट सोर्सेज" की ओर ले जा सकता है। सरल शब्दों में, इसका अर्थ है कि हम ऐसे प्रकाश स्रोत बना सकते हैं जो न केवल अविश्वसनीय रूप से तेज़ (एटोसेकंड एक क्विंटिलियनवां सेकंड का एक-प अरबवां हिस्सा होता है) होंगे, बल्कि उनका एक ऐसा आकार भी होगा जिसे हम प्रोग्राम कर सकते हैं और तुरंत बदल सकते हैं। यह एक ऐसे बल्ब से आगे बढ़ने जैसा है जो केवल चालू और बंद होता है, और एक ऐसे लेजर की ओर बढ़ना है जो केवल एक स्विच को फ्लिप करके अपने रंग, आकार और स्पिन को तुरंत बदल सकता है। हालांकि यह वर्तमान में एक प्रयोगशाला खोज है, यह एक ऐसे भविष्य के द्वार खोलता है जहाँ हम प्रकाश को उस स्तर की सटीकता के साथ इंजीनियर कर सकते हैं जो हमने पहले कभी नहीं देखी है।
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