Single-atom detection with a quantum-controlled mechanical oscillator
यह शोध पत्र अपने क्वांटम ग्राउंड स्टेट में स्थित एक लेविटेटेड नैनोस्फीयर से टकराने वाले व्यक्तिगत ज़ेनॉन परमाणुओं का पता लगाने का प्रदर्शन करता है, जो 50 keV/c से कम के मोमेंटम किक्स को देखने और उन्हें थर्मल बैकग्राउंड शोर से अलग करने में 96% विश्वास प्राप्त करता है।
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आधुनिक भौतिकी के शांत कोनों में, वैज्ञानिक गति की सबसे मंद फुसफुसाहटों को सुनना सीख रहे हैं। दशकों से, सपना यह रहा है कि एक सूक्ष्म वस्तु को उसके परिवेश से इतनी पूर्णता से अलग किया जाए कि वह दीवारों से टकराती हुई एक बिलियर्ड बॉल की तरह नहीं, बल्कि प्रायिकता (probability) की एक एकल तरंग की तरह व्यवहार करे, जो क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों द्वारा संचालित हो। इसे प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ता प्रकाश की केंद्रित किरणों का उपयोग करके निर्वात में कांच के सूक्ष्म गोलों को फँसाते हैं, जिससे एक ऐसा पालना (cradle) बनता है जहाँ वस्तु बिना किसी चीज़ को छुए तैर सके। इन गोलों को उनकी निम्नतम ऊर्जा अवस्था तक ठंडा करके, ऊष्मा के कारण होने वाली अराजक थरथराहट को शांत कर दिया जाता है, जिससे केवल ब्रह्मांड की मौलिक, अपरिहार्य कंपकंपी शेष रह जाती है। यह अत्यधिक संवेदनशीलता तैरते हुए गोले को एक ऐसे डिटेक्टर में बदल देती है जो उन बलों को महसूस करने में सक्षम है जो इतने छोटे हैं कि उन्हें पहले मापने योग्य असंभव माना जाता था, जो व्यक्तिगत परमाणुओं के व्यवहार और उन अदृश्य अंतःक्रियाओं की खिड़की खोलता है जो हमारी दुनिया को आकार देती हैं।
हाल ही में किए गए एक प्रयोग में, ETH ज्यूरिख के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अवधारणा को एक कदम आगे बढ़ाया, जिसमें उन्होंने ज़ेनॉन (xenon) के व्यक्तिगत परमाणुओं को पकड़ने और गिनने के लिए एक लेविटेटेड ग्लास बीड (levitated glass bead) का उपयोग किया। वे केवल परमाणुओं के बहकर आने का इंतज़ार नहीं कर रहे थे; इसके बजाय, उन्होंने एक सटीक, समय-बद्ध (time-gated) गैस बीम तैयार की, जो एक स्नाइपर की सटीकता के साथ तैरते हुए गोले पर ज़ेनॉन परमाणुओं की एक धारा दाग रही थी। गोला, जो केवल एक सौ नैनोमीटर चौड़ा सिलिका कण था, को एक ऑप्टिकल ट्वीज़र द्वारा एक वैक्यूम चैंबर में थामे रखा गया था—प्रकाश का एक केंद्रित केंद्र जो एक अदृश्य जाल के रूप में कार्य करता है। गोले को इतनी प्रभावी ढंग से ठंडा किया गया था कि उसकी गति इसकी क्वांटम ग्राउंड स्टेट तक कम हो गई थी, जिसका अर्थ था कि यह भौतिकी के अनुसार जितना संभव हो सके उतना स्थिर था। जब ज़ेनॉन का एक एकल परमाणु निर्देशित बीम से टकराया, तो उसने एक छोटा, तीखा झटका दिया, जिससे अत्यंत सूक्ष्म मात्रा में संवेग (momentum) स्थानांतरित हुआ। शोधकर्ताओं ने गोले की परिणामी डगमगाहट को इतनी सटीकता से मापा कि वे वातावरण के बैकग्राउंड शोर से एक एकल परमाणु के प्रभाव को अलग पहचान सके।
टीम ने ज़ेनॉन गैस की एक नियंत्रित धारा बनाकर यह उपलब्धि हासिल की। उन्होंने गैस को छोटी लहरों (bursts) में छोड़ने के लिए एक पल्स्ड वाल्व का उपयोग किया, जिससे परमाणुओं को निर्वात में तेजी से फैलने और लगभग 310 मीटर प्रति सेकंड की स्थिर गति से चलती हुई एक बीम बनाने की अनुमति मिली। इस बीम को फिर दो वैक्यूम चैंबरों को जोड़ने वाली एक नली के माध्यम से निर्देशित किया गया, जिसे सीधे तैरते हुए गोले की ओर लक्षित किया गया था। यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे वही देख रहे हैं जो वे देखना चाहते हैं, शोधकर्ताओं ने निर्देशित बीम के परिणामों की तुलना एक नियंत्रण परिदृश्य (control scenario) से की। जब उन्होंने बीम को अवरुद्ध किया, तो टकराने की दर कम, स्थिर बैकग्राउंड स्तर पर गिर गई जो चैंबर में तैरते यादृच्छिक तापीय (thermal) परमाणुओं के कारण था। हालाँकि, जब बीम खुली थी, तो टकराने की दर एक विशिष्ट समय पर नाटकीय रूप से बढ़ गई, जो वाल्व से गोले तक परमाणुओं के यात्रा समय से मेल खाती थी। इस समय निर्धारण ने पुष्टि की कि पहचाने गए इवेंट वास्तव में निर्देशित परमाणुओं की धारा के कारण थे, न कि यादृच्छिक बैकग्राउंड शोर के कारण।
सबसे महत्वपूर्ण खोज 50 किलो-इलेक्ट्रॉन वोल्ट प्रति प्रकाश की गति के छोटे संवेग स्थानांतरण को पहचानने की क्षमता थी, जो एक ऐसा मान है जिसे पहले इन प्रणालियों के लिए हल करने योग्य (resolvable) नहीं माना जाता था। झटकों की दिशा का विश्लेषण करके, शोधकर्ता अपनी बीम से आने वाले परमाणुओं और यादृच्छिक तापीय परमाणुओं के बीच अंतर भी बता सके। बीम से आने वाले परमाणु ज्यादातर गोले को एक दिशा में धकेलते थे, जिससे एक असममित (asymmetric) प्रभाव पैटर्न बनता था, जबकि बैकग्राउंड तापीय परमाणु गोले को सभी दिशाओं में समान रूप से धकेलते थे। इस दिशात्मक संवेदनशीलता ने टीम को 96% के विश्वास स्तर के साथ एकल-परमाणु टकरावों की पहचान करने में सक्षम बनाया। उन्होंने देखा कि टक्कर के बाद गोले की गति एक डैम्प्ड ऑसिलेटर (damped oscillator) के सैद्धांतिक पूर्वानुमान से मेल खाती थी, जिससे पुष्टि हुई कि सिग्नल एक परमाणु प्रभाव के प्रति वास्तविक भौतिक प्रतिक्रिया थी न कि कोई माप त्रुटि।
यह कार्य बहुत कम दूरी पर परमाणु लेविटेटेड सिस्टम के साथ कैसे अंतःक्रिया करते हैं, इसे खोजने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह सिद्ध करके कि एक एकल परमाणु का पता लगाया जा सकता है और उसके संवेग को उच्च विश्वास के साथ मापा जा सकता है, यह प्रयोग प्रदर्शित करता है कि ये लेविटेटेड प्लेटफॉर्म उन क्षेत्रों में आवेगपूर्ण बलों (impulsive forces) को महसूस करने के लिए शक्तिशाली उपकरण के रूप में कार्य कर सकते हैं जो पहले कभी नहीं खोजे गए। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि शोर को और अधिक कम करने के लिए क्वांटम तकनीकों का उपयोग करने जैसे और सुधारों के साथ, ये सेंसर और भी हल्के परमाणुओं और अणुओं का पता लगा सकते हैं। यह क्षमता अंततः परमाणु स्तर पर दबाव को मापने या पदार्थ और प्रकाश के बीच मौलिक बलों की जांच करने के नए तरीके विकसित कर सकती है, जो तैरते हुए कांच के मोती को एकल-परमाणु टकरावों की अदृश्य दुनिया के लिए एक सूक्ष्मदर्शी (microscope) में बदल देगी।
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