Chiral doublon bound states in a synthetic topological waveguide

प्रकाश और पदार्थ की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि व्यक्तिगत फोटॉन, या प्रकाश के कणों को परमाणुओं के साथ कैसे परस्पर क्रिया कराई जाए। जब ये नन्हे कण एक संकीले चैनल जिसे वेवगाइड (waveguide) कहा जाता है, में फंसे होते हैं, तो वे आगे-पीछे उछल सकते हैं, जिससे ऊर्जा के जटिल पैटर्न बनते हैं। आमतौर पर, हालांकि, प्रकाश के कण एक-दूसरे को अनदेखा करते हैं; वे भूतों की तरह एक-दूसरे के पार निकल जाते हैं। उन्हें आपस में जुड़ने या एक-दूसरे को प्रभावित करने के लिए, शोधकर्ताओं को इस प्रणाली में एक विशेष प्रकार का घर्षण या नॉनलिनियैरिटी (nonlinearity) पेश करनी होती है। यह फोटॉन को जोड़े बनाने की अनुमति देता है, जिससे 'डॉबलोन' (doublons) नामक घनिष्ठ रूप से जुड़े क्लस्टर बनते हैं। इन जोड़ों को दो अलग-अलग यात्रियों के रूप में नहीं, बल्कि चैनल के माध्यम से चलने वाले एक ही, भारी यात्री के रूप में सोचें। साथ ही, भौतिकविदों ने खोजा है कि कुछ सामग्रियों को एक छिपी हुई "हाथ की बनावट" या काइरैलिटी (chirality) रखने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है, जहाँ तरंगें केवल एक दिशा में यात्रा कर सकती हैं, बिल्कुल एकतरफा सड़क की तरह। हालिया शोध को चलाने वाला प्रश्न यह है कि जब ये दो विलक्षण अवधारणाएं—बद्ध फोटॉन जोड़े और एकतरफा सड़कें—एक साथ मिलती हैं, तो क्या होता है।

शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक त्रिकोणीय लैडर वेवगाइड (triangular ladder waveguide) का सैद्धांतिक मॉडल तैयार करके इस मिलन बिंदु का पता लगाया है। इस सेटअप में, उन्होंने क्वांटम उत्सर्जकों (quantum emitters), जो प्रकाश के सूक्ष्म स्रोत हैं, को एक ऐसे चैनल में रखा जहाँ फोटॉन अपने पड़ोसियों के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया कर सकते हैं। इन अंतःक्रियाओं की शक्ति को ट्यून करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि एक जोड़े के दो फोटॉन इस तरह व्यवहार करते हैं जैसे वे पूरी तरह से एक अलग प्रकार के ट्रैक पर चल रहे हों। उन्होंने इन फोटॉन जोड़ों की गति को सु-श्रीफर-हेगर चेन (Su-Schrieffer-Heeger chain) नामक एक संरचना पर मैप किया, जो भौतिकी का एक प्रसिद्ध मॉडल है जो किसी सामग्री के किनारों पर विशेष, संरक्षित अवस्थाएँ बनाता है। परिणाम स्वरूप एक नए प्रकार के बद्ध अवस्था (bound state) की खोज हुई जो काइरल (chiral) है, जिसका अर्थ है कि यह चैनल के एक तरफ लॉक है और आसानी से दूसरी ओर नहीं जा सकती।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जब एक उत्सर्जक को इस प्रणाली से जोड़ा जाता है, तो यह फोटॉन जोड़ों के प्रवाह में एक अद्वितीय व्यवधान पैदा करता है। फोटॉन जोड़े उत्सर्जक के चारों ओर जमा होने के बजाय, एक ऐसी बद्ध अवस्था बनाते हैं जिसमें उत्सर्जक के स्थान पर ही एक विशिष्ट "नोड" (node), या शून्य उपस्थिति का बिंदु होता है। फोटॉन जोड़े का वेव फंक्शन (wave function), जो यह बताता है कि कणों के कहाँ पाए जाने की संभावना है, उस विशिष्ट स्थान पर लुप्त हो जाता है और फिर एक तरफ से दूर जाने पर तेजी से (exponentially) घटता जाता है। यह व्यवहार सामग्री के जाली (lattice) में एक रिक्ति, या छेद की नकल करता है। उत्सर्जक प्रभावी रूप से एक कठोर दीवार की तरह कार्य करता है जिसे फोटॉन जोड़े भेद नहीं सकते, जिससे वे केवल एक तरफ जमा होने के लिए मजबूर हो जाते हैं। यह एक-तरफा स्थानीयकरण (localization) अंतर्निहित संरचना के टोपोलॉजिकल गुणों से सीधे विरासत में मिला है, जो बद्ध अवस्था को उसका काइरल चरित्र प्रदान करता है। इस स्थानीयकरण की दिशा पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करती है कि उत्सर्जक जाली के किस विशिष्ट भाग से जुड़ा है, जिससे वैज्ञानिकों को यह नियंत्रित करने की सुविधा मिलती है कि बद्ध अवस्था बाईं ओर बढ़ेगी या दाईं ओर।

यह परीक्षण करने के लिए कि ये काइरल बद्ध अवस्थाएँ आपस में कैसे परस्पर क्रिया कर सकती हैं, टीम ने अपने मॉडल का विस्तार दो अलग-अलग उत्सर्जक जोड़ों को शामिल करने के लिए किया। उन्होंने परीक्षण किया कि जब इन दो जोड़ों को एक-दूसरे के सापेक्ष विभिन्न दूरियों और दिशाओं पर रखा जाता है, तो क्या होता है। जब दोनों बद्ध अवस्थाओं को एक-दूसरे के सामने व्यवस्थित किया गया, ताकि उनके स्थानीयकृत पुच्छ (tails) उनके बीच के स्थान में ओवरलैप हों, तो सिस्टम सक्रिय हो उठा। शोधकर्ताओं ने कोहेरेंट राबी ऑसिलेशन (coherent Rabi oscillations) देखा, जो ऊर्जा का एक लयबद्ध आदान-प्रदान है जहाँ उत्तेजना दो उत्सर्जक जोड़ों के बीच आगे-पीछे कूदती रहती है। यह अंतःक्रिया फोटॉन जोड़े के बादलों के ओवरलैप द्वारा संचालित थी, जिसने दूर स्थित उत्सर्जकों के बीच एक मजबूत, नियंत्रणीय लिंक बनाया।

हालाँकि, जब अभिविन्यास या रिक्ति को बदल दिया गया, तो कहानी नाटकीय रूप से बदल गई। जब दोनों बद्ध अवस्थाओं को एक-दूसरे से विपरीत दिशा में, यानी पीठ-से-पीठ (back-to-back) रखा गया, तो उनके पुच्छ बिल्कुल भी ओवरलैप नहीं हुए। इस विन्यास में, अंतःक्रिया पूरी तरह से गायब हो गई, और दोनों उत्सर्जक जोड़े स्वतंत्र रहे, जिसमें कोई ऊर्जा हस्तांतरण नहीं हुआ। इसी तरह, यदि दो उत्सर्जक जोड़ों को एक ही प्रकार की जाली साइट पर रखा गया लेकिन उन्हें सम संख्या के चरणों से अलग किया गया, तो अंतःक्रिया भी गायब हो गई। ऐसा इसलिए है क्योंकि काइरल बद्ध अवस्थाएँ जाली के भीतर विशिष्ट वैकल्पिक साइटों पर ही मौजूद होती हैं; यदि दूसरा उत्सर्जक ऐसी साइट पर रखा जाता है जहाँ पहले बद्ध अवस्था की उपस्थिति शून्य है, तो वे एक-दूसरे को देख ही नहीं पाते। शोधकर्ताओं ने विस्तृत संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से इन निष्कर्षों की पुष्टि की, जिससे पता चला कि अंतःक्रिया की शक्ति केवल दूरी पर ही नहीं, बल्कि काइरल अवस्थाओं के सटीक संरेखण और अलगाव की समता (parity) पर भी निर्भर करती है।

ये निष्कर्ष बताते हैं कि सहसंबद्ध फोटॉन जोड़ों के बीच भौतिक रूप से करीब हुए बिना अंतःक्रिया को इंजीनियर करने का एक नया तरीका। उत्सर्जकों की काइरैलिटी और उनकी सापेक्ष स्थिति को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक दूर स्थित क्वांटम प्रणालों के बीच अंतःक्रिया को चालू या बंद कर सकते हैं, जिससे एक स्विच करने योग्य लिंक बनाया जा सकता है। अध्ययन का प्रस्ताव है कि इस तरह के सेटअप को ट्यून करने योग्य नॉनलीन कपलर (nonlinear couplers) का उपयोग करके सर्किट क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स में साकार किया जा सकता है, जो गैर-रेखीय क्वांटम नेटवर्क बनाने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है। यह कार्य अनुकूलित 'मेनी-बॉडी इंटरैक्शन' बनाने के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है, जहाँ सूचना का प्रवाह केवल सरल निकटता के बजाय सिस्टम के टोपोलॉजिकल नियमों द्वारा नियंत्रित होता है, जो अधिक जटिल और मजबूत क्वांटम उपकरणों के द्वार खोलता है।