Controlled generation of high-harmonic spatiotemporal optical vortices

प्रकाश की कल्पना केवल एक सीधी किरण के रूप में नहीं, बल्कि ऊर्जा की एक घूमती हुई, मरोड़दार रिबन के रूप में करें। दशकों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि प्रकाश एक लट्टू की तरह घूम सकता है (स्पिन कोणीय संवेग/spin angular momentum) और यह अपने आकार में एक "मरोड़" (twist) भी ले जा सकता है, जैसे कि एक कॉर्कस्क्रू (corkscrew)। आमतौर पर, ये मरोड़ किरण की चौड़ाई के आर-पार होती हैं। लेकिन हाल ही में, भौतिकविदों ने एक अधिक विचित्र प्रकार का मरोड़ खोजा है: एक "स्थानिक-कालिक प्रकाशीय भंवर" (spatiotemporal optical vortex या STOV)। इसे न केवल एक घूमते हुए रिबन के रूप में नहीं, बल्कि एक ऐसे वेव पैकेट के रूप में सोचें जहाँ मरोड़ स्थान और समय दोनों में एक साथ घटित होता है। यह एक तालाब में उठने वाली लहर की तरह है जो न केवल बाहर की ओर बढ़ती है, बल्कि आगे बढ़ते हुए घूमती भी है, जो एक गुप्त "टोपोलॉजिकल चार्ज" (topological charge) वहन करती है जो इसे एक छोटे, अदृश्य बवंडर की तरह व्यवहार करने के योग्य बनाती है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है? क्योंकि यदि हम इन मरोड़ों को नियंत्रित कर सकें, तो हम इनका उपयोग ब्रह्मांड की सबसे सूक्ष्म, तीव्र घटनाओं की जांच करने के लिए कर सकते हैं, जैसे कि परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों के बीच कैसे कूदते हैं। हालाँकि, इसमें एक पेंच है: हम अब तक मुख्य रूप से केवल साधारण, दृश्य प्रकाश के साथ इन मरोड़दार तरंगों को बना पाए हैं। परमाणुओं के भीतर क्या हो रहा है, इसे वास्तव में देखने के लिए हमें बहुत उच्च ऊर्जा वाले प्रकाश की आवश्यकता है, जो एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट (XUV) रेंज में हो। बड़ा सवाल यह था: क्या हम इन नाजुक, मरोड़दार STOVs को उनके विशेष आकार को खोए बिना इन अति-उच्च ऊर्जाओं तक ले जा सकते हैं?

यह शोध पत्र कहता है कि हाँ। 'यूनिवर्सिटी पेरिस-सैकले' (Université Paris-Saclay) के शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक अपने इन्फ्रारेड प्रकाश के "मरोड़दार बवंडर" वाले पल्स को आर्गन गैस के बादल से टकराया। यह प्रक्रिया, जिसे 'हाई-हारमोनिक जनरेशन' (high-harmonic generation) कहा जाता है, एक ब्रह्मांडीय अपकन्वर्टर (upconverter) की तरह कार्य करती है, जो कम ऊर्जा वाले इन्फ्रारेड प्रकाश को उच्च ऊर्जा वाले XUV प्रकाश में बदल देती है। टीम ने पाया कि विशेष मरोड़दार आकार ने न केवल इस परिवर्तन में जीवित रहने की क्षमता दिखाई; बल्कि यह बढ़ (amplify) भी गया। यदि मूल प्रकाश में एक मरोड़ (twist) थी, तो नए XUV प्रकाश में 25 का मरोड़ था (या जो भी ऊर्जा गुणक था)। उन्होंने यह सिद्ध किया कि नया प्रकाश एक डिटेक्टर में सटीक छल्लों (rings) के रूप में बना, ठीक एक लक्ष्य की तरह, और जब उन्होंने मूल पल्स में बदलाव किया, तो इन छल्लों का आकार गणितीय रूप से भविष्यवाणी किए गए अनुसार बिल्कुल बदला।

यह समझने के लिए कि उन्होंने यह कैसे किया, एक ऐसी कल्पना करें जहाँ आप एक कागज के टुकड़े पर संदेश लिखने की कोशिश कर रहे हैं जिसे खींचा और दबाया जा रहा है। टीम ने अपने लेजर बीम को आकार देने के लिए दर्पणों और लेंसों का उपयोग करके एक विशेष "पल्स शेपर" (pulse shaper) बनाया। उन्होंने एक मानक लेजर पल्स को एक ऐसे उपकरण से गुजारा जिसने उसके रंगों को एक प्रिज्म की तरह फैला दिया। फिर, उन्होंने इस फैले हुए इंद्रधनुष के बीच में एक विशेष "वोर्टेक्स प्लेट" (vortex plate) रखी। इस प्लेट ने एक स्टेंसिल की तरह काम किया, जिसने प्रकाश के रंगों पर एक सर्पिल पैटर्न अंकित कर दिया। जब प्रकाश को पुन: संयोजित किया गया, तो वह केवल एक बीम नहीं रह गया था; वह एक STOV पल्स बन गया था, एक ऐसी तरंग जहाँ शिखर तीव्रता (peak intensity) स्थान और समय दोनों में एक छल्ले के रूप में बनती है।

चुनौती यह थी कि ये STOV पल्स बहुत जटिल होते हैं। यदि आप उन्हें बहुत शक्तिशाली बनाने की कोशिश करते हैं, तो वे टूट सकते हैं या अपना आकार खो सकते हैं। टीम को बहुत सटीक होना पड़ा, जिसमें 2 मिलीजूल लेजर का उपयोग किया गया और उपकरणों को सावधानीपूर्वक संरेखित किया गया ताकि पल्स एक पूर्ण, गोलाकार छल्ले के रूप में बना रहे। उन्होंने इन आकार दिए गए पल्स को आर्गन गैस की जेट में छोड़ा। जब तीव्र लेजर गैस से टकराया, तो उसने इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकाला और फिर उन्हें वापस टकराया, जिससे परमाणु बहुत उच्च आवृत्तियों (harmonics) पर नया प्रकाश उत्सर्जित करने लगे।

परिणाम सिद्धांत के अनुरूप थे। जब उन्होंने नए XUV प्रकाश को देखा, तो उन्होंने देखा कि यह मूल इन्फ्रारेड पल्स की तरह ही छल्ले का पैटर्न बना रहा था, लेकिन बहुत छोटा और अधिक ऊर्जावान था। मुख्य खोज मूल प्रकाश के "मरोड़" और नए प्रकाश के बीच का संबंध थी। यदि मूल पल्स में $\ell$ का टोपोलॉजिकल चार्ज था, तो $q$-वाँ हार्मोनिक ($q$-वें रंग का नया प्रकाश) $\ell_q = q \times \ell$ का चार्ज रखता था। ऐसा लग रहा था मानो मरोड़ की शक्ति ऊर्जा वृद्धि द्वारा गुणा कर दी गई हो। उदाहरण के लिए, 1 के मरोड़ वाले पल्स ने 25वें हार्मोनिक के लिए 25 का मरोड़ वाला नया प्रकाश बनाया।

उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि ये मरोड़दार पल्स कितने मजबूत (robust) हैं, इसके लिए गैस जेट को फोकस पॉइंट के थोड़ा करीब या थोड़ा दूर ले जाकर। सामान्य प्रकाश में, गैस को थोड़ा सा हिलाने से केवल चमक में बदलाव आ सकता है। लेकिन STOVs के साथ, गैस को हिलाने से पल्स का आकार ही बदल गया। जैसे ही पल्स पूर्ण फोकस से दूर गया, वह सुंदर गोलाकार छल्ला अलग-अलग लोब्स (lobes) में टूट गया, जैसे किसी फूल की पंखुड़ी खुल रही हो। उनके द्वारा उत्पादित XUV प्रकाश ने इस परिवर्तन को पूरी तरह से प्रतिबिंबित किया, जो यह सिद्ध करता है कि नया प्रकाश मूल मरोड़दार पल्स की एक वफादार, उच्च-ऊर्जा प्रतिलिपि था।

यह कार्य एक महत्वपूर्ण कदम है क्योंकि यह दिखाता है कि अब हम इन विलक्षण, समय-मरोड़दार भंवरों (time-twisting vortices) को एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट रेंज में बना सकते हैं। यह केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह XUV STOVs को प्रोब (probes) के रूप में उपयोग करने का द्वार खोलता है। क्योंकि वे एक विशिष्ट प्रकार का कोणीय संवेग वहन करते हैं, उनका उपयोग अंतरिक्ष और समय में इलेक्ट्रॉनों की गति का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है, जो संभावित रूप से यह प्रकट कर सकता है कि प्रकाश और पदार्थ सबसे तीव्र गति पर कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। टीम ने अपने निष्कर्षों की पुष्टि प्रयोगों और कंप्यूटर सिमुलेशन दोनों के माध्यम से की, जिससे यह सिद्ध हुआ कि भौतिकी तब भी कायम रहती है जब प्रकाश इतना अनियंत्रित और ऊर्जावान हो जाता है।