Non-monotonic dependence of OAM Schmidt spectrum on crystal thickness
यह शोध पत्र गैर-रैखिक क्रिस्टल की मोटाई पर OAM श्मिट स्पेक्ट्रम (Schmidt spectrum) की एक गैर-एकदिष्ट (non-monotonic) निर्भरता के पहले प्रयोगात्मक अवलोकन की रिपोर्ट करता है, जो स्थानिक वॉक-ऑफ (spatial walk-off) प्रभावों के कारण एक निश्चित मोटाई के बाद श्मिट संख्या में अप्रत्याशित वृद्धि को प्रदर्शित करता है, जो एकदिष्ट कमी की पिछली धारणाओं को चुनौती देता है।
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ब्रह्मांड की कल्पना एक विशाल, हलचल भरी लाइब्रेरी के रूप में करें जहाँ प्रकाश केवल उबाऊ पेंसिल की तरह सीधी रेखाओं में नहीं चलता; कभी-कभी, यह एक छोटे, अदृश्य बवंडर की तरह घूमता है। इस घूमने को "ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम" (OAM) कहा जाता है। एक फोटॉन (प्रकाश के कण) को न केवल एक संदेशवाहक के रूप में, बल्कि चलते समय गोल-गोल घूमने वाले एक नर्तक के रूप में सोचें। उस घुमाव की गति धीमी, तेज़ या बीच की कहीं भी हो सकती है, जो सूचना भेजने के लिए संभावनाओं का एक विशाल, लगभग अनंत खेल का मैदान बनाती है। वैज्ञानिक इसे इसलिए पसंद करते हैं क्योंकि यदि आप इन स्पिनों (घूमने) में डेटा पैक कर सकते हैं, तो आप केवल साधारण "ऑन" या "ऑफ" संकेतों की तुलना में बहुत अधिक जानकारी भेज सकते हैं।
इन घूमते हुए प्रकाश कणों को बनाने के लिए, वैज्ञानिक एक विशेष तकनीक का उपयोग करते हैं जिसे "स्पोंटेनियस पैरामीट्रिक डाउन-कन्वर्जन" (SPDC) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि एक उच्च-ऊर्जा लेजर बीम एक विशेष क्रिस्टल से टकराती है, जैसे कि एक बिलियर्ड बॉल काно गेंदों के ढेर से टकराना। लेजर दो नए, कम ऊर्जा वाले फोटॉन में विभाजित हो जाता है जो "एंटैंगल्ड" (उलझे हुए) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे जादुई रूप से जुड़े हुए हैं: यदि एक बाईं ओर घूमता है, तो दूसरा दाईं ओर घूमता है, चाहे वे एक-दूसरे से कितनी भी दूर क्यों न हों। शोधकर्ताओं के लिए बड़ा सवाल यह है कि हम एक साथ कितने अलग-अलग घूमने वाले पैटर्न बना सकते हैं? इस संख्या को "श्मिट नंबर" (Schmidt number) कहा जाता है। यह पूछने जैसा है कि, "आप एक साथ कितने अलग-अलग टीवी चैनल प्रसारित कर सकते हैं?" लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने सोचा कि क्रिस्टल को मोटा करने से चैनलों की संख्या कम हो जाएगी, जैसे कि एक गुब्बारे को दबा दिया गया हो। लेकिन एक नया अध्ययन बताता है कि गुब्बारा वास्तव में एक आश्चर्यजनक तरीके से वापस फूल सकता है।
इस शोध पत्र में, भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान कानपुर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह परीक्षण करने का निर्णय लिया कि जब वे इन घूमने वाले प्रकाश युग्मों को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले क्रिस्टल की मोटाई बदलते हैं तो क्या होता है। वर्षों से, भौतिकी समुदाय में मानक नियम सरल था: क्रिस्टल जितना मोटा होगा, उतने ही कम अद्वितीय घूमने वाले पैटर्न (कम श्मिट नंबर) मिलेंगे। यह एक सहज, एकतरफा ढलान थी। शोधकर्ताओं को संदेह था, हालांकि, कि यह नियम इस बात के बारे में एक महत्वपूर्ण विवरण को अनदेखा कर रहा है कि प्रकाश वास्तव में क्रिस्टल के भीतर कैसे चलता है।
यह पता लगाने के लिए, उन्होंने एक यूवी (UV) लेजर और बीटा बेरियम बोरेट (BBO) नामक क्रिस्टल का उपयोग करके एक प्रयोग स्थापित किया। उन्होंने अपने लेजर को विभिन्न मोटाई के क्रिस्टल के माध्यम से चमकाया, जो बहुत पतले स्लाइस से लेकर 20.0 मिमी मोटे तक थे। ऐसा करते हुए, उन्होंने यह मापने के लिए "श्मिट नंबर" को मापा कि कितने अलग-अलग घूमने वाले अवस्थाएं बनाई जा रही हैं। उन्होंने अपने वास्तविक दुनिया के माप की तुलना दो अलग-अलग गणितीय मॉडलों से की। पहला मॉडल "पुराना तरीका" था, जो प्रकाश के एक विशिष्ट गुण "स्पेशियल वॉक-ऑफ" (spatial walk-off) को अनदेखा करता था। दूसरा मॉडल "नया तरीका" था, जो क्रिस्टल के भीतर प्रकाश कैसे व्यवहार करता है, इसके सभी जटिल विवरणों को रखता है।
परिणाम चौंकाने वाले थे। जब उन्होंने "पुराने तरीके" वाली गणित का उपयोग किया, तो श्मिट नंबर ठीक वैसा ही हुआ जैसा कि सभी को अपेक्षित था: जैसे-जैसे क्रिस्टल मोटा होता गया, यह कम होता गया। लेकिन जब उन्होंने वास्तविक प्रयोग और "नए तरीके" की गणित को देखा, तो कहानी पूरी तरह बदल गई। श्मिट नंबर केवल गिरता ही नहीं रहा। इसके बजाय, यह पहले गिरा, एक निचले स्तर पर पहुँचा, और फिर जैसे-जैसे क्रिस्टल और भी मोटा होता गया, यह वापस ऊपर चढ़ने लगा। यह एक नॉन-मोनोटोनिक कर्व (non-monotonic curve) था, जिसका अर्थ है कि यह नीचे गया और फिर ऊपर गया, जिसने पुराने नियम को चुनौती दी।
शोधकर्ता इस अजीब व्यवहार को "स्पेशियल वॉक-ऑफ" नामक अवधारणा का उपयोग करके समझाते हैं। कल्पना कीजिए कि आप एक लंबी, सख्त छड़ी पकड़े हुए एक भीड़भाड़ वाले गलियारे से गुजरने की कोशिश कर रहे हैं। यदि गलियारा संकरा है, तो आप बस लोगों से टकरा सकते हैं और धीमे हो सकते हैं। लेकिन यदि गलियारा बहुत चौड़ा है और आप एक विशिष्ट कोण पर चल रहे हैं, तो आपकी छड़ी वास्तव में आपको भीड़ के माध्यम से इस तरह से नेविगेट करने में मदद कर सकती है जिससे आप उम्मीद से तेज़ या एक अलग दिशा में चल सकें। क्रिस्टल में, जैसे-जैसे प्रकाश गहराई तक जाता है (मोटा क्रिस्टल), "स्पेशियल वॉक-ऑफ" प्रभाव हावी होने लगता है, जो प्रभावी रूप से घूमने वाले प्रकाश के अस्तित्व के लिए नए चैनल खोल देता है। इस प्रभाव को दशकों से उपयोग किए जाने वाले सरल मॉडलों द्वारा अनदेखा किया जा रहा था।
टीम इस बारे में बहुत आश्वस्त है क्योंकि उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने इसे मापा। उनके प्रयोगात्मक डेटा बिंदु (उनके ग्राफ पर डॉट्स) जटिल "नए तरीके" के सिद्धांत के साथ पूरी तरह से मेल खाते हैं, जो मोटे क्रिस्टल के लिए श्मिट नंबर में वृद्धि को दर्शाते हैं। उन्होंने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि श्मिट नंबर हमेशा मोटाई के साथ घटता है, यह दिखाते हुए कि पुरानी, सरल गणित मोटी क्रिस्टल के लिए सही नहीं थी। हालांकि उन्होंने यह दावा नहीं किया कि यह क्वांटम भौतिकी की हर समस्या को हल करता है, उन्होंने प्रदर्शित किया कि उच्च-आयामी क्वांटम सूचना के लिए, क्रिस्टल की मोटाई पहले की तुलना में बहुत अधिक जटिल और दिलचस्प तरीके से मायने रखती है। यह खोज बताती है कि यदि हम प्रकाश का उपयोग करके बेहतर क्वांटम कंप्यूटर बनाना चाहते हैं या अधिक सुरक्षित संदेश भेजना चाहते हैं, तो हम केवल यह मानकर नहीं चल सकते कि "पतला होना हमेशा बेहतर है" या "मोटा होना हमेशा बुरा है।" हमें क्रिस्टल के भीतर प्रकाश के नृत्य को ध्यान में रखना होगा, क्योंकि कभी-कभी, आप जितना गहरा जाते हैं, उतने ही अधिक अवसर पाते हैं।
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