Stochastic transport of a Goldstone mode in a self-organized atomic crystal

आधुनिक भौतिकी के विशाल परिदृश्य में, एक आवर्ती विषय यह है कि कैसे अराजकता से व्यवस्था उभरती है। जब कोई प्रणाली एक स्थिर अवस्था में बस जाती है, तो वह अक्सर एक विशिष्ट विन्यास चुनती है, जो उस मौलिक समरूपता (symmetry) को तोड़ देती है जिसने पहले उसे एक साथ कई स्थानों पर होने की अनुमति दी थी। एक पेंसिल की कल्पना करें जो अपने शीर्ष पर बिल्कुल संतुलित है; वह हर दिशा में सममित है। जिस क्षण वह गिरती है, उसे एक दिशा चुननी ही पड़ती है, जिससे वह समरूपता टूट जाती है। क्वांटम दुनिया में, "स्वतः स्फूर्त समरूपता भंग" (spontaneous symmetry breaking) की यह प्रक्रिया एक विशेष, द्रव्यमान रहित तरंग जिसे 'गोल्डस्टोन मोड' (Goldstone mode) कहा जाता है, का निर्माण करती है। दशकों से, वैज्ञानिक इन तरंगों को उनके द्वारा उत्सर्जित ऊर्जा को सुनकर या उनके कंपन को देखकर पहचान पाने में सक्षम रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे किसी संगीत के स्वर को उसकी पिच से पहचाना जाता है। हालाँकि, एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: क्या होता है जब इस लहर को अपने आप भटकने के लिए छोड़ दिया जाता है? क्या यह एक धारा में बहते पत्ते की तरह बेतरतीब ढंग से भटकती है, या क्या यह एक समन्वित तरीके से चलती है? अब तक, ब्रह्मांड के प्राकृतिक शोर से टकराते हुए, इस मायावी क्वांटम लहर की वास्तविक गति को वास्तविक समय में ट्रैक करना पहुंच से बाहर था।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक रिंग-आकार के ऑप्टिकल कैविटी के भीतर एक लघु, आत्मनिर्भर ब्रह्मांड बनाकर इस पहेली को सुलझा लिया है। उन्होंने इस रिंग को रुबिडियम परमाणुओं के बादल से भर दिया और इसके माध्यम से एक लेजर प्रवाहित किया। सही परिस्थितियों में, परमाणु एक अव्यवस्थित गैस के रूप में नहीं रहे; इसके बजाय, वे स्वतः ही एक कठोर क्रिस्टल संरचना में व्यवस्थित हो गए, जो सामूहिक रूप से स्वयं द्वारा उत्पन्न प्रकाश के ग्रिड में खुद को फंसा लेते हैं। इस स्व-निर्मित क्रिस्टल में एक अद्वितीय गुण है: क्योंकि रिंग पूरी तरह से गोल है, क्रिस्टल वृत्त के किसी भी बिंदु पर समान सहजता से स्थित हो सकता है। इसका कोई पसंदीदा प्रारंभिक स्थान नहीं है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि रिंग के साथ इस क्रिस्टल की स्थिति, कैविटी के भीतर प्रकाश के चरण (phase) से सीधे जुड़ी हुई है। रिंग से बाहर निकलने वाले प्रकाश को अत्यधिक सटीकता के साथ मापकर, वे वास्तविक समय में क्रिस्टल की स्थिति बदलते हुए देख सके, जो प्रभावी रूप से गोल्डस्टोन मोड की गति को ट्रैक कर रहा था।

उन्होंने जो देखा वह गति का एक ऐसा रूप था जो प्रसार (diffusion) के सामान्य नियमों को चुनौती देता है। एक विशिष्ट परिदृश्य में, जैसे पानी में स्याही की एक बूंद का फैलना, व्यक्तिगत कण स्वतंत्र रूप से चलते हैं, एक-दूसरे से टकराते हैं और यादृच्छिक दिशाओं में भटक जाते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके परमाणु क्रिस्टल में, परमाणु बिल्कुल भी स्वतंत्र रूप से नहीं चले। इस गति के लिए प्रेरक बल फोटॉनों के परमाणुओं से प्रकीर्णन (scattering) के कारण होने वाली मौलिक, अपरिहार्य थरथराहट से आया। प्रत्येक बार जब एक परमाणु ने एक फोटॉन को प्रकीर्णित किया, तो उसे एक छोटा सा झटका मिला। एक सामान्य गैस में, ये झटके व्यक्तिगत परमाणुओं को दूर फेंक देते। यहाँ, हालांकि, परमाणु प्रकाश के स्व-जनित जाली (lattice) द्वारा एक साथ इतने मजबूती से बंधे हुए थे कि एक परमाणु को मिलने वाला झटका पूरे समूह द्वारा साझा किया गया। पूरा क्रिस्टल रिंग के साथ फिसला, जो इन यादृच्छिक झटकों से प्रेरित था लेकिन प्रकाश की प्रतिक्रिया में होने वाले विलंब से उत्पन्न घर्षण जैसे बल द्वारा धीमा हो गया था।

टीम ने समय के साथ इस क्रिस्टल के बहने की गति को मापा और एक आश्चर्यजनक पैटर्न की खोज की। जैसे-जैसे उन्होंने क्रिस्टल में अधिक परमाणु जोड़े, उनकी गति काफी धीमी हो गई। विशेष रूप से, प्रसार की दर परमाणुओं की संख्या के सीधे आनुपातिक रूप से कम हो गई। यदि वे परमाणुओं की संख्या को दोगुना कर देते, तो क्रिस्टल आधी गति से चलता। इसने पुष्टि की कि पूरा समूह स्वतंत्र कणों के संग्रह के बजाय एक एकल, विशाल, एकीकृत पिंड के रूप में कार्य कर रहा था। शोधकर्ताओं ने लेजर प्रकाश के गुणों को समायोजित करके घर्षण को ट्यून किया। जब उन्होंने परमाणुओं की संख्या के साथ गति में परिवर्तन और घर्षण की शक्ति के माप को मिलाया, तो उनके सभी डेटा बिंदु एक एकल, सार्वभौमिक वक्र (curve) पर सिमट गए। इससे पता चला कि यह व्यवहार एक सरल, मौलिक नियम द्वारा शासित था, चाहे सेटअप का विशिष्ट विवरण कुछ भी हो।

यह कार्य केवल समरूपता भंग के ऊर्जा हस्ताक्षरों को देखने से, सीधे परिणामी गति को देखने की ओर एक बदलाव है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि एक गोल्डस्टोन मोड, जिसे पहले केवल एक स्पेक्ट्रल विशेषता के रूप में समझा जाता था, को एक नियंत्रणीय यांत्रिक वस्तु के रूप में माना जा सकता है। उन्होंने दिखाया कि एक संचालित, विसरित (dissipative) प्रणाली में जहाँ ऊर्जा लगातार डाली जा रही है और खोई जा रही है, हजारों परमाणुओं की सामूहिक गति को उच्च सटीकता के साथ ट्रैक किया जा सकता है। उनके निष्कर्ष इस विचार को खारिज करते हैं कि ये परमाणु एक निष्क्रिय वातावरण में स्वतंत्र रूप से चलते हैं; इसके बजाय, वे उसी प्रकाश द्वारा एक साथ बंधे हुए हैं जिसे वे स्वयं बनाते हैं। अध्ययन ने इस व्यवहार की सीमाओं को भी संबोधित किया, यह नोट करते हुए कि यदि प्रणाली बहुत गर्म हो जाती है या अवलोकन का समय बहुत लंबा हो जाता है, तो क्रिस्टल अंततः पिघल जाता है और व्यवस्थित गति टूट जाती है। हालाँकि, स्थिर खिड़की के भीतर जो उन्होंने देखा, परमाणु एक सामूहिक कठोरता के साथ चले जिसने एक सैद्धांतिक अवधारणा को एक मूर्त, मापने योग्य वास्तविकता में बदल दिया।

एक क्वांटम क्षेत्र के अमूर्त चरण को क्रिस्टल की भौतिक स्थिति पर मानचित्रित करके, शोधकर्ताओं ने यह अध्ययन करने के लिए एक नया उपकरण बनाया कि क्वांटम पदार्थ संतुलन से दूर (far from equilibrium) कैसे व्यवहार करता है। यह मंच वैज्ञानिकों को यह जांचने की अनुमति देता है कि दोष (defects) कैसे बनते हैं, फोनोन (कंपन) कैसे यात्रा करते हैं, और उन प्रणालियों में व्यवस्था कैसे बनी रहती है जो निरंतर धकेली और खींची जा रही हैं। गोल्डस्टोन मोड को उसकी समस्त संभावनाओं के माध्यम से भटकते हुए देखने की क्षमता, समरूपता भंग की यांत्रिकी को समझने के लिए एक सीधा द्वार खोलती है। यह एक कभी अदृश्य रहने वाली क्वांटम घटना को एक दृश्य, ट्रैक करने योग्य यात्रा में बदल देता है, जो यह प्रकट करता है कि क्वांटम उतार-चढ़ाव के अराजक नृत्य में भी, पदार्थ एक साथ चलने का रास्ता खोज सकता है।