Strontium ${}^{1}S_{0}\!\rightarrow\!{}^{1}P_{1}$ transition frequency measurements assisted by a photonic grating chip

कल्पना कीजिए कि आप एक विशिष्ट स्टेशन के लिए रेडियो ट्यून करने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन डायल इतना संवेदनशील है कि आपकी उंगली का एक छोटा सा स्पर्श आपको मीलों दूर भेज देता है। परमाणुओं की दुनिया में, यह "स्टेशन" प्रकाश का एक विशिष्ट रंग है जो एक परमाणु को शांत अवस्था से उत्तेजित अवस्था में जाने के लिए प्रेरित करता है। यही क्वांटम भौतिकी का सार है: ब्रह्मांड के सबसे छोटे निर्माण खंडों के व्यवहार का अध्ययन। वैज्ञानिक इन परमाणुओं से बात करने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं, लेकिन इसे सही ढंग से करने के लिए, उन्हें प्रकाश के सटीक "रंग" (या आवृत्ति) को जानने की आवश्यकता होती है। यदि वे गलत होते हैं, तो उनकी परमाणु घड़ियाँ समय खो देती हैं, उनके क्वांटम कंप्यूटर गड़बड़ा जाते हैं, और ब्रह्मांड के हमारे माप धुंधले हो जाते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक स्ट्रोंटियम (Strontium) परमाणुओं के लिए एक विशिष्ट छलांग (jump) की सटीक आवृत्ति को निर्धारित करने की कोशिश कर रहे हैं, जो एक ऐसा धातु है जो क्वांटम तकनीक की दुनिया में एक सुपरस्टार है। समस्या क्या है? पिछली बार किसी ने भी उच्च सटीकता के साथ इसे लगभग 90 साल पहले, सूर्य के प्रकाश और पुराने उपकरणों का उपयोग करके मापने की कोशिश की थी। यह 1930 के दशक के स्टॉपवॉच से मैराथन धावक की गति मापने जैसा है; आप सामान्य विचार जानते हैं, लेकिन वास्तविक आंकड़े प्राप्त करने के लिए आपको एक आधुनिक, हाई-स्पीड कैमरे की आवश्यकता है।

यह शोध पत्र उसी हाई-स्पीड कैमरे की तरह है। शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक चतुर नया उपकरण बनाया—एक छोटा, सूक्ष्म "ग्रेटिंग चिप" जो प्रकाश से बने दर्पण की तरह कार्य करता है—ताकि स्ट्रोंटियम परमाणुओं की आवृत्ति को अविश्वसनीय सटीकता के साथ मापा जा सके। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने रहस्य को सुलझाने के लिए दो अलग-अलग जासूसी विधियों का उपयोग किया। सबसे पहले, उन्होंने स्ट्रोंटियम परमाणुओं की एक बीम को लेजर के माध्यम से छोड़ा और देखा कि वे कैसे चमकते हैं, इस चिप का उपयोग करके लेजर को एक पिंग-पोंग बॉल की तरह वापस उछालने के लिए ताकि हर सूक्ष्म विवरण को पकड़ा जा सके। दूसरा, उन्होंने उसी चिप का उपयोग करके परमाणुओं को रेंगने की गति तक धीमा कर दिया और यह पता लगाने के लिए कि वे कितनी तेजी से चल रहे हैं कि लेजर का सटीक स्वर (tune) क्या है। इन दोनों दृष्टिकोणों को जोड़कर, उन्होंने उत्तर खोज निकाला: आवृत्ति 650.503 815(5) THz है। यह केवल एक संख्या नहीं है; यह सटीकता में एक बहुत बड़ा अपग्रेड है, जो पुराने 1938 के माप को उनके हाई-डेफिनिशन पोर्ट्रेट की तुलना में एक रफ स्केच जैसा बना देता है। उन्होंने साबित कर दिया कि उनकी नई चिप-आधारित विधि चट्टान की तरह मजबूत है, जो वैज्ञानिकों को अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक बनाने के लिए एक बहुत अधिक सटीक उपकरण प्रदान करती है।

चमकदार चिप और नाचते हुए परमाणुओं की कहानी

स्ट्रोंटियम परमाणुओं को छोटे, चंचल नर्तकों के रूप में सोचें। उन्हें एक आदर्श रूटीन करने के लिए मजबूर करने के लिए, आपको उन्हें बिल्कुल सही लय पर लेजर बीम से टकराना होगा। यदि लय थोड़ी भी गलत है, तो वे लड़खड़ा जाते हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिक सामान्य लय जानते थे, लेकिन उन्हें सटीक ताल (beat) जानने की आवश्यकता थी। इस शोध पत्र के शोधकर्ताओं ने तय किया कि वे एक ऐसा मंच बनाएंगे जो उन्हें उस ताल को पूरी तरह से सुनने में मदद कर सके। बड़े, भारी दर्पणों का उपयोग करने के बजाय जो डगमगा सकते हैं या कंपन कर सकते हैं, उन्होंने एक फोटोनिक ग्रेटिंग चिप का उपयोग किया। एक छोटी, चमकदार कंघी की कल्पना करें जो सिलिकॉन चिप पर उकेरी गई है। जब प्रकाश इस कंघी से टकराता है, तो यह केवल परावर्तित नहीं होता; यह एक बहुत ही विशिष्ट, अनुमानित तरीके से विभाजित होता है और वापस उछलता है। यह चिप सीधे एक वैक्यूम चैंबर के अंदर स्थित होती है, जो एक अत्यंत स्थिर दर्पण के रूप में कार्य करती है जो कभी नहीं हिलता, यह सुनिश्चित करती है कि लेजर बीम पूरी तरह से संरेखित रहे।

टीम ने परमाणुओं को सुनने के लिए दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग किया। पहला तरीका एक सुरंग के माध्यम से दौड़ रहे लोगों की भीड़ को देखने जैसा था जबकि एक स्पॉटलाइट इधर-उधर घूम रही हो। उन्होंने स्ट्रोंटियम परमाणुओं की एक धारा (एक "थर्मल बीम") छोड़ने के लिए एक छोटा ओवन गर्म किया। उन्होंने उन पर एक लेजर चमकाया, और चिप ने लेजर को वापस उछाल दिया, जिससे विपरीत दिशाओं में चलने वाली दो बीम बन गईं। जैसे ही परमाणु उनके माध्यम से गुजरे, उन्होंने प्रकाश को अवशोषित किया और चमकने लगे। इस चमक की हजारों तस्वीरें एक सुपर-सेंसिटिव कैमरे के साथ लेने के बाद, वे देख सके कि परमाणु सबसे अधिक उत्तेजित कहाँ थे। क्योंकि परमाणु चल रहे थे, उनके द्वारा अवशोषित प्रकाश थोड़ा बदल गया था (थोड़ा वैसा ही जैसे एम्बुलेंस के गुजरने पर साइरन की पिच बदल जाती है)। पूरे चित्र में इन बदलावों का विश्लेषण करके, वे लेजर की सटीक आवृत्ति की गणना कर सके जो परमाणुओं को प्रसन्न करने के लिए आवश्यक थी।

दूसरा तरीका एक दौड़ की तरह था। उन्होंने परमाणुओं को धीमा करने के लिए एक "2D gMOT" (जो एक लेजर ट्रैप के लिए एक फैंसी नाम है जो परमाणुओं को धीमा करता है) बनाने के लिए उसी ग्रेटिंग चिप का उपयोग किया। एक विंड टनल की कल्पना करें जो परमाणुओं के विरुद्ध हवा चलाती है, जिससे वे दौड़ से चलकर (walk) की गति तक धीमे हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने फिर इन "धीमे" परमाणुओं की गति को मापा। वे जानते थे कि परमाणुओं की गति इस बात पर निर्भर करती है कि लेजर कितनी अच्छी तरह ट्यून किया गया है। यदि लेजर थोड़ा भी बेसुरा था, तो परमाणु उम्मीद से तेज़ या धीमा चलते। विभिन्न लेजर सेटिंग्स पर परमाणुओं की गति को मापकर, वे सटीक आवृत्ति खोजने के लिए पीछे की ओर काम कर सके। यह एक गिटार को ट्यून करने जैसा है कि कैसे तार के बजने पर उसकी कंपन को सुनकर आप जान सकते हैं कि स्वर सही है या नहीं; कंपन आपको बताता है कि नोट सही है।

बड़ी घोषणा

जब शोधकर्ताओं ने अपने सभी डेटा को एक साथ रखा, तो उन्हें एक ऐसी संख्या मिली जो पहले की तुलना में बहुत अधिक सटीक है। उन्होंने आवृत्ति को 650.503 815(5) THz निर्धारित किया। कोष्ठक में संख्या, (5), हमें बताती है कि वे कितने आश्वस्त हैं। इसका मतलब है कि वास्तविक संख्या लगभग निश्चित रूप से 650.503 810 और 650.503 820 THz के बीच है। यह एक बड़ा सुधार है! पिछला सबसे अच्छा अनुमान, जो 1938 में लगाया गया था, उसमें लगभग 310 MHz की अनिश्चितता थी (जो परमाणुओं की दुनिया में एक बहुत बड़ी रेंज है)। नया माप लगभग 50 गुना अधिक सटीक है।

शोध पत्र यह भी स्पष्ट करता है कि वे केवल अनुमान नहीं लगा रहे हैं। उन्होंने दो पूरी तरह से अलग तरीकों का उपयोग किया—एक चमकते हुए परमाणुओं को देखना और दूसरा चलते हुए परमाणुओं को देखना—और दोनों विधियों ने एक दूसरे के साथ सहमति व्यक्त की। यह सहमति दो अलग-अलग गवाहों द्वारा एक ही कहानी बताने जैसी है; यह परिणाम को बहुत विश्वसनीय बनाती है। उन्होंने अपने उपकरणों की सावधानीपूर्वक जांच भी की, यह सुनिश्चित करते हुए कि उनका लेजर मापने वाला उपकरण (वेवलेंथ मीटर) अन्य स्थिर लेजरों का उपयोग करके सही ढंग से कैलिब्रेट किया गया है, ठीक वैसे ही जैसे मानक मीटर स्टिक के विरुद्ध एक रूलर की जांच की जाती है।

शोधकर्ताओं ने केवल एक संख्या नहीं पाई; उन्होंने साबित किया कि इन छोटे, एकीकृत चिप्स का उपयोग करना उच्च-परिशुद्धता विज्ञान के लिए एक शानदार तरीका है। यह एक विशाल, डगमगाते टेलीस्कोप से बदलकर एक चिकने, स्मार्टफोन के आकार के कैमरे में स्विच करने जैसा है जो बेहतर तस्वीरें लेता है। सटीकता का यह नया स्तर एक बड़ी बात है क्योंकि यह वैज्ञानिकों को बेहतर परमाणु घड़ियाँ, अधिक सटीक क्वांटम कंप्यूटर और अधिक संवेदनशील सेंसर बनाने में मदद करता है। अंततः स्ट्रोंटियम की "लय" को सही करके, उन्होंने ब्रह्मांड को मापने और समझने के अगले बड़े कदम के लिए मार्ग प्रशस्त कर दिया है।