Hubbard physics with ultracold polar molecules: on-site interaction energies for shielded molecules

क्वांटम डांस फ्लोर: अणु अलग क्यों हैं

कल्पना कीजिए एक ऐसी दुनिया की जहाँ पदार्थ के सबसे छोटे निर्माण खंड केवल बिलियर्ड बॉल्स की तरह एक-दूसरे से टकराते नहीं हैं, बल्कि छोटे चुंबकों की तरह व्यवहार करते हैं जो कमरे के दूसरे छोर से भी एक-दूसरे से बात कर सकते हैं। यह अल्ट्राकोल्ड फिजिक्स का क्षेत्र है, विज्ञान का एक ऐसा कोना जहाँ वैज्ञानिक परमाणुओं और अणुओं को इतने कम तापमान तक ठंडा कर देते हैं कि वे मुश्किल से हिल पाते हैं, जिससे वे कणों के बजाय तरंगों (waves) की तरह व्यवहार करने लगते हैं। इस जमी हुई अवस्था में, शोधकर्ता इन कणों को प्रकाश के ग्रिड्स में फँसाते हैं जिन्हें ऑप्टिकल लैटिस कहा जाता है, जिससे कृत्रिम क्रिस्टल बनते हैं जहाँ वे अध्ययन कर सकते हैं कि जब पदार्थ को उसकी सीमाओं तक धकेला जाता है तो वह कैसे व्यवहार करता है।

वर्षों से, वैज्ञानिक इन ग्रिड्स का उपयोग अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं का अध्ययन करने के लिए करते आए हैं, उन्हें म्यूजिकल चेयर्स के एक सरल खेल की तरह देखते हुए जहाँ प्रत्येक सीट (या लैटिस साइट) केवल एक ही अतिथि को रख सकती है। इस "प्रति सीट एक अतिथि" के नियम को हार्ड-कोर कंस्ट्रेंट कहा जाता है, और यह भौतिकी को पूर्वानुमानित लेकिन कुछ हद तक उबाऊ बनाता है। हालाँकि, कणों का एक नया वर्ग—पोलर मॉलिक्यूल्स (ध्रुवीय अणु)—नियमों को तोड़ने का अवसर प्रदान करता है। परमाणुओं के विपरीत, अणुओं के पास एक स्थायी इलेक्ट्रिक द्विध्रुव (electric dipole) होता है, जिसका अर्थ है कि वे छोटे बार मैग्नेट की तरह कार्य करते हैं जो लंबी दूरी तक मजबूती से परस्पर क्रिया कर सकते हैं। बड़ा सवाल यह रहा है: क्या हम इन चुंबकीय अणुओं में से दो को एक ही सीट पर बैठने के लिए मजबूर कर सकते हैं बिना एक-दूसरे से टकराए और गायब हुए? यदि हम ऐसा कर पाते हैं, तो हम क्वांटम भौतिकी के एक नए ब्रह्मांड को खोल देंगे, जहाँ कई अतिथि एक ही स्थान पर एक साथ नृत्य कर सकते हैं, जिससे विलक्षण नई अवस्थाएँ (exotic new states of matter) बन सकती हैं।

पेपर की खोज: नृत्य में एक आश्चर्यजनक मोड़

यह पेपर, जिसका शीर्षक "Hubbard physics with ultracold polar molecules: on-site interaction energies for shielded molecules" है, उसी प्रश्न की गहराई में उतरता है। लेखक, कार्लिन स्टुअर्ट-वीज़, जॉय दत्ता और जेरेमी एम. हटसन, इस बात की जांच करते हैं कि क्या होता है जब दो शील्डेड (shielded) पोलर अणुओं को एक ऑप्टिकल लैटिस में एक ही स्थान साझा करने के लिए मजबूर किया जाता है। उनकी मुख्य खोज एक आश्चर्यजनक मोड़ है: इन अणुओं का व्यवहार पूरी तरह से उस व्यवहार से भिन्न है जो हम परमाणुओं के साथ देखते हैं, और यह उन सरल नियमों को चुनौती देता है जिनका उपयोग वैज्ञानिक दशकों से करते आ रहे हैं।

अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं की दुनिया में, "इंटरेक्शन एनर्जी" (आइए इसे U कहें, जो यह मापता है कि दो कण एक सीट साझा करने के लिए एक-दूसरे को कितना नापसंद या पसंद करते हैं) आमतौर पर एक सीधा नंबर होता है। यदि कण एक-दूसरे को प्रतिकर्षित (repel) करते हैं, तो U धनात्मक (positive) होता है; यदि वे आकर्षित होते हैं, तो यह ऋणात्मक (negative) होता है। जैसे-जैसे आप ट्रैप को कसते हैं, यह सुचारू रूप से बदलता है। लेकिन शील्डेड अणुओं के लिए, लेखकों ने पाया कि U एक गिरगिट (chameleon) की तरह है। विस्तृत सिमुलेशन के माध्यम से, उन्होंने पाया कि कुछ अवस्थाओं के लिए, जब ट्रैप कमजोर होता है तो U ऋणात्मक हो सकता है (जिसका अर्थ है कि अणु वास्तव में एक साथ रहना पसंद करते हैं)। लेकिन जैसे-जैसे आप ट्रैप को कसते हैं (लैटिस स्ट्रेंथ बढ़ाते हैं), U केवल अधिक ऋणात्मक नहीं होता; यह पलट जाता है! यह शून्य को पार करता है और धनात्मक हो जाता है, जिसका अर्थ है कि अणु अचानक एक-दूसरे को नापसंद करने लगते हैं और अलग होने की इच्छा रखते हैं।

यह उतार-चढ़ाव वाला व्यवहार एक गेम-चेंजर है। लेखक स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करते हैं कि हम केवल उन पुराने, सरल सूत्रों का उपयोग कर सकते हैं जो परमाणुओं के लिए विकसित किए गए थे ताकि यह भविष्यवाणी की जा सके कि अणु कैसे व्यवहार करेंगे। वे पुराने सूत्र यह मानकर चलते हैं कि कण सरल बिंदु हैं जो केवल तभी परस्पर क्रिया करते हैं जब वे स्पर्श करते हैं। लेकिन शील्डेड अणु अलग हैं। उनके पास एक "रिपल्सिव कोर" (repulsive core) होता है—एक बल क्षेत्र जो माइक्रोवेव शील्डिंग द्वारा बनाया गया है जो प्रत्येक अणु के चारों ओर एक अदृश्य, अभेद्य बुलबुले की तरह कार्य करता है। जब दो अणु करीब आते हैं, तो यह बुलबुला उन्हें हिंसक रूप से दूर धकेलता है। लेखक दिखाते हैं कि यह रिपल्सिव कोर, अणुओं के लॉन्ग-रेंज मैग्नेटिक अट्रैक्शन के साथ मिलकर, एक जटिल नृत्य बनाता है जहाँ कणों को ट्रैप की दीवारों और उनके अपने सुरक्षात्मक बुलबुलों के बीच "दबाया" (squeeze) जाता है। यह दबाव उनकी ऊर्जा को इस तरह से बढ़ाता है जिसकी सरल परमाणु मॉडल ने कभी भविष्यवाणी नहीं की थी।

पेपर दो प्रकार के आणविक जोड़ों के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर को भी रेखांकित करता है। पहला प्रकार अनबाउंड पेयर्स (unbound pairs) है, जो अजनबियों की तरह हैं जो बस एक ही कमरे में मौजूद हैं। इनके लिए, जब ट्रैप प्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत होता है, तो इंटरेक्शन एनर्जी U आमतौर पर धनात्मक और बड़ा होता है, जो प्रभावी रूप से उन्हें अलग रहने के लिए मजबूर करता है (एक हार्ड-कोर कंस्ट्रेंट)। हालाँकि, दूसरा प्रकार—बाउंड स्टेट्स (bound states), जहाँ अणु ट्रैप चालू होने से पहले ही नर्तकों की एक जोड़ी की तरह आपस में जुड़े हुए हैं—अलग व्यवहार करता है। इन बाउंड पेयर्स के लिए, लेखकों ने पाया कि U ऋणात्मक से शुरू होता है लेकिन ट्रैप मजबूत होने पर शून्य को पार कर धनात्मक हो जाता है। इसका मतलब है कि वैज्ञानिक ट्रैप की ताकत को बदलकर अणुओं को अपनी इच्छा से "सबसे अच्छे दोस्त" (एक साथ रहना चाहने वाले) से "अजनबी" (अलग रहना चाहने वाले) में बदल सकते हैं।

लेखक अपनी सटीकता के बारे में बहुत विशिष्ट हैं: ये परिणाम सर्कुलरली पोलराइज्ड माइक्रोवेव द्वारा शील्ड किए गए NaCs (सोडियम-सीज़ियम) अणुओं के यथार्थवादी इंटरेक्शन पोटेंशियल का उपयोग करके न्यूमेरिकली एक्सैक्ट सिमुलेशन से आए हैं। उन्होंने अभी तक इसे लैब में नहीं मापा है; उन्होंने कंप्यूटर पर गणितीय समीकरणों को हल किया है ताकि यह देखा जा सके कि क्या होना चाहिए। वे इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि सटीक संख्याएं विशिष्ट अणु पर निर्भर करती हैं, लेकिन यह व्यवहार—U के साइन का पलटना—समान शील्डिंग के तहत किसी भी पोलर अणु के लिए सार्वभौमिक होने की संभावना है।

यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि यदि हम इस "फ्लिप" को नियंत्रित कर सकते हैं, तो हम क्वांटम सिम्युलेटर बना सकते हैं जो कई अणुओं को एक ही लैटिस साइट पर रहने की अनुमति देते हैं। यह पेयर सुपरफ्लुइडिटी (pair superfluidity) और पदार्थ की अन्य विलक्षण अवस्थाओं के अध्ययन का द्वार खोलता है जो पहले अन्वेषण के लिए असंभव थे। पेपर निष्कर्ष निकालता है कि लाइट ट्रैप की ताकत और माइक्रोवेव शील्डिंग को समायोजित करके, शोधकर्ता इंटरेक्शन एनर्जी U को एक विस्तृत श्रृंखला में ट्यून कर सकते हैं, जो अत्यधिक आकर्षण से लेकर अत्यधिक प्रतिकर्षण तक है। यह ट्यूनेबिलिटी अणुओं के साथ "हबर्ड फिजिक्स" के एक नए युग को अनलॉक करने की कुंजी है, जहाँ क्वांटम डांस फ्लोर के नियम अब पत्थर की लकीर नहीं हैं बल्कि प्रयोगकर्ता द्वारा फिर से लिखे जा सकते हैं।