Large anomalous shifts of potassium-39 Feshbach resonances

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आप परमाणुओं की "चिपचिपाहट" को एक लाइट के डिमर स्विच की तरह चालू या बंद कर सकें। अतिशीत भौतिकी (ultracold physics) के क्षेत्र में, वैज्ञानिक वास्तव में ऐसा ही करते हैं। वे परमाणुओं को परम शून्य (absolute zero) से बस एक मामूली सा ऊपर के तापमान तक ठंडा करते हैं, जहाँ वे इतने धीमे चलते हैं कि वे नन्हे बिलियर्ड बॉल्स के बजाय तरंगों (waves) की तरह व्यवहार करने लगते हैं। इस जमी हुई अवस्था में, वे चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके विशेष "स्वीट स्पॉट्स" खोजने के लिए कर सकते हैं जिन्हें 'फेशबैक रेजोनेंस' (Feshbach resonances) कहा जाता है। इन रेजोनेंस को एक जादुई ट्यूनिंग फोर्क के रूप में सोचें: जब आप सही चुंबकीय स्वर (note) बजाते हैं, तो दो परमाणु जो आमतौर पर एक-दूसरे को अनदेखा करते हैं, अचानक एक साथ चिपकने या अत्यधिक बल के साथ अलग होने का निर्णय लेते हैं। परमाणुओं के बीच की अंतःक्रिया (interaction) को नियंत्रित करने की यह क्षमता भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर बनाने और नए पदार्थ की अवस्थाओं, जैसे कि बिना घर्षण के बहने वाले सुपरफ्लुइड्स (superfluids) बनाने के लिए एक गुप्त मंत्र है।

हालाँकि, इसमें एक पेंच है। इन नाजुक, जमते हुए परमाणुओं को अपनी जगह पर थामे रखने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर "ऑप्टिकल डायपोल ट्रैप्स" का उपयोग करते हैं—जो मूल रूप से केंद्रित लेजर प्रकाश से बने अदृश्य पिंजरे हैं। समस्या यह है कि वही प्रकाश जो परमाणुओं को थामे हुए है, उस जादुई ट्यूनिंग फोर्क के साथ भी छेड़छाड़ कर सकता है। आमतौर पर, यह हस्तक्षेप बहुत छोटा और अनुमानित होता है, जैसे पृष्ठभूमि में एक हल्की सी गूँज। लेकिन क्या होगा यदि वह प्रकाश केवल गूँजे नहीं; क्या होगा यदि वह चिल्लाने लगे, जिससे परमाणुओं का पूरा सुर ही भारी मात्रा में बदल जाए? यही वह रहस्य है जिसे यह शोध पत्र हल करता है।

शोधकर्ताओं ने, पोटेशियम-39 परमाणुओं के साथ काम करते हुए, कुछ अद्भुत खोजा: जब उन्होंने इन परमाणुओं को एक लेजर पिंजरे में फँसाया, तो 33.6 G और 39.9 G रेजोनेंस के लिए "स्वीट स्पॉट" केवल डगमगाया नहीं; बल्कि वह उछल गया। कुछ मामलों में, रेजोनेंस की स्थिति में +7.5 गॉस का एक विशाल उछाल आया, एक ऐसा परिवर्तन जो उम्मीद से हज़ार गुना अधिक बड़ा था। आमतौर पर, वैज्ञानिक सोचते थे कि लेजर प्रकाश केवल एक सूक्ष्म, तापमान-संबंधित बदलाव लाएगा। लेकिन यह शोध पत्र उस विचार को गलत साबित करता है। इसके बजाय, उन्होंने पाया कि लेजर प्रकाश परमाणुओं के साथ इस तरह से अंतःक्रिया कर रहा था कि इसने "अणुओं" (परमाणुओं के अस्थायी जोड़े) को प्रकाश के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील बना दिया, व्यक्तिगत परमाणुओं की तुलना में कहीं अधिक।

यहाँ कहानी कैसे आगे बढ़ती है। टीम ने पोटेशियम-39 परमाणुओं के बादलों को लगभग 35 माइक्रो-केल्विन (यानी परम शून्य से 0.000035 डिग्री ऊपर!) तक ठंडा किया और उन्हें 1063.9 nm के लेजर से बने एक ट्रैप में रखा। जैसे-जैसे उन्होंने लेजर की शक्ति को समायोजित किया, उन्होंने रेजोनेंस को सक्रिय करने के लिए आवश्यक चुंबकीय क्षेत्र को देखा। उन्होंने पाया कि 33.6 G और 39.9 G रेजोनेंस के लिए, रेजोनेंस की स्थिति ट्रैप गहरा होने के साथ नाटकीय रूप से बदल गई। जब उन्होंने ट्रैप की गहराई कम करके परमाणुओं को और अधिक ठंडा किया, तो यह बदलाव आनुपातिक रूप से छोटा हो गया, और ट्रैप बंद होने पर पूरी तरह गायब हो गया। इस व्यवहार ने इस विचार को खारिज कर दिया कि यह बदलाव केवल एक साधारण तापमान प्रभाव था; यदि यह केवल गर्मी होती, तो यह ट्रैप की गहराई के साथ इतनी सफाई से गायब नहीं होता।

लेखक इस विशाल उछाल को "डिफरेंशियल एसी स्टार्क शिफ्ट" (differential ac Stark shift) नामक एक अवधारणा के माध्यम से समझाते हैं। कल्पना करें कि आने वाले परमाणु का जोड़ा और उनके द्वारा बनाया गया अस्थायी अणु दो अलग-अलग प्रकार के गुब्बारे हैं। आमतौर पर, एक लेजर हवा दोनों गुब्बारों को समान रूप से धकेलती है। लेकिन इस विशिष्ट मामले में, "अणु गुब्बारा" एक सुपर-स्ट्रेची, प्रकाश-संवेदनशील सामग्री से बना था, जबकि "परमाणु गुब्बारा" सख्त था। लेजर की हवा ने परमाणु गुब्बारे की तुलना में अणु गुब्बारे को बहुत अधिक जोर से धक्का दिया, जिससे चुंबकीय "स्वीट स्पॉट" अपनी सही जगह से बहुत दूर चला गया।

वह अणु गुब्बारा इतना स्ट्रेची क्यों था? शोध पत्र सुझाव देता है कि ऐसा इसलिए है क्योंकि उनके लेजर की आवृत्ति (1063.9 nm) पोटेशियम अणु की एक विशिष्ट कंपन आवृत्ति से लगभग पूरी तरह मेल खाती थी। यह एक बच्चे को झूले पर धकेलने जैसा है: यदि आप सही लय में धक्का देते हैं, तो झूला बहुत ऊँचा जाता है। लेजर एक "रेजोनेंस ऑफ रेजोनेंस" (resonances की resonance) से टकरा रहा था, जिससे अणु की पोलराइज़ेबिलिटी (प्रकाश के प्रति संवेदनशीलता), उन दो परमाणुओं के योग की तुलना में, जिनसे वह बना है, चार से सात गुना अधिक हो गई। यह एक बहुत बड़ा आश्चर्य है, क्योंकि इन अणुओं को आमतौर पर प्रकाश के साथ बातचीत करने में बहुत शर्मीला माना जाता है।

उन अन्य रेजोनेंस के लिए जिनका उन्होंने अध्ययन किया (जैसे कि 25.9 G, 58.8 G, और 65.6 G), कहानी अलग थी। उन अणुओं का लेजर की लय के साथ कोई मेल नहीं था, इसलिए वे लगभग बिल्कुल नहीं हिले। यह पुष्टि करता है कि विशाल बदलाव कोई सार्वभौमिक त्रुटि नहीं थी, बल्कि उन दो विशिष्ट रेजोनेंस के लिए आवृत्तियों का एक विशिष्ट, भाग्यशाली (या लक्ष्य के आधार पर दुर्भाग्यपूर्ण) संयोग था।

अंत में, यह शोध पत्र केवल एक अजीब संख्या की रिपोर्ट नहीं करता है; यह इस बात को उजागर करता है कि अणु प्रकाश के साथ कैसे बात करते हैं, जिसमें एक छिपी हुई संवेदनशीलता होती है। हालांकि यह विशाल बदलाव उन वैज्ञानिकों के लिए सिरदर्द हो सकता है जो सटीक माप करने या बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट्स (Bose-Einstein condensates) बनाने की कोशिश कर रहे हैं (क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र जिसे आप उपयोग कर रहे होते हैं, वास्तव में वह नहीं होता जो परमाणु महसूस करते हैं), यह एक द्वार भी खोलता है। यह सुझाव देता है कि सही लेजर के साथ, हम प्रकाश का उपयोग करके इन परमाणु अंतःक्रियाओं को अविश्वसनीय रूप से तेज़—केवल सैकड़ों नैनोसेकंड के समय-पैमाने पर—ट्यून कर सकते हैं। लेखकों ने हमें दिखाया है कि क्वांटम दुनिया में, एक लेजर केवल एक पिंजरा नहीं है; यह एक विशाल लीवर (lever) हो सकता है, और कभी-कभी, यह एक ऐसा लीवर है जो पहाड़ों को हिला सकता है।