Robust bistable vortex light bullets in graded-index multimode fibers
यह शोध पत्र संयुक्त रूपांतरणात्मक विश्लेषण (variational analysis) और संख्यात्मक सिमुलेशन के माध्यम से ग्रेडेड-इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर में सुदृढ़, द्वि-स्थिर (bistable) स्थानिक-कालिक भंवर प्रकाश बुलेट्स (spatiotemporal vortex light bullets) के अस्तित्व को सैद्धांतिक रूप से प्रदर्शित करता है, तथा उनकी स्थिरता की स्थितियों और सूचना प्रसंस्करण में संभावित अनुप्रयोगों की पहचान करता है।
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प्रकाश को आमतौर पर एक ऐसी किरण के रूप में देखा जाता है जो एक सीधी रेखा में चलती है और आगे बढ़ते हुए फैलती जाती है। लेकिन सही परिस्थितियों में, प्रकाश को अपना आकार बनाए रखने के लिए प्रेरित किया जा सकता है, जिससे वह अंतरिक्ष में बिना अपना रूप खोए एक ठोस वस्तु की तरह चलता है। यह घटना दो विपरीत बलों के बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करती है: एक किरण के फैलने की स्वाभाविक प्रवृत्ति, और उस पदार्थ का एक गुण जिससे होकर वह गुजरती है और उसे केंद्रित (focus) करता है। जब ये बल एक-दूसरे को पूरी तरह से संतुलित कर देते हैं, तो प्रकाश एक "सॉलिटन" (soliton) बन जाता है, जो एक आत्मनिर्भर पैकेट है जो बिना बदले लंबी दूरियां तय कर सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इसके एक अधिक जटिल संस्करण से मंत्रमुग्ध रहे हैं: प्रकाश का एक ऐसा पल्स (pulse) जो न केवल स्थान (space) में, बल्कि समय (time) में भी सीमित है, जिससे प्रकाश का एक त्रि-आयामी (3D) "बुलेट" बनता है। इससे भी अधिक दिलचस्प इस प्रकार का बुलेट है जो एक घुमाव (twist) लेकर चलता है, जिसे कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) के रूप में जाना जाता है, जो इसे एक कॉर्कस्क्रू (corkscrew) के समान सर्पिल संरचना देता है।
शोधकर्ता जिस प्रश्न का उत्तर देने का प्रयास कर रहे थे, वह यह है कि क्या ये मुड़े हुए, त्रि-आयामी प्रकाश बुलेट्स एक वास्तविक दुनिया के ऑप्टिकल फाइबर के भीतर स्थिर रह सकते हैं। हालांकि सैद्धांतिक मॉडलों ने सुझाव दिया था कि वे हो सकते हैं, लेकिन इसमें शामिल जटिल भौतिकी ने यह सिद्ध करना कठिन बना दिया था कि वे बिना टूट-फूट के अस्तित्व में रह सकते हैं। एक नए अध्ययन में, भौतिकविदों की एक टीम ने दिखाया है कि ये संरचनाएं, जिन्हें स्पैटियोटेम्पोरल वोर्टेक्स बुलेट्स (spatiotemporal vortex bullets) कहा जाता है, वास्तव में एक विशिष्ट प्रकार के फाइबर, जिसे ग्रेडेड-इंडेक्स मल्टीमोड फाइबर (graded-index multimode fiber) के रूप में जाना जाता है, के भीतर बन सकती हैं और स्थिर रह सकती हैं। उन्नत गणितीय मॉडलिंग को शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने पाया कि ये प्रकाश बुलेट्स न केवल एक एकल रूप में मौजूद हैं; वे वास्तव में एक ही ऊर्जा स्तर पर दो अलग-अलग स्थिर अवस्थाओं में भी मौजूद हो सकते हैं। यह खोज प्रकाश को नियंत्रित करने के नए तरीके खोलती है, विशेष रूप से सूचना प्रसंस्करण (information processing) और सुरक्षित संचार के क्षेत्रों में।
यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, कल्पना कीजिए कि प्रकाश की एक किरण एक घुमाव ले जा रही है, जैसे फोटॉन्स से बनी एक सर्पल सीढ़ी। एक मानक फाइबर में, यह घुमाव आमतौर पर किरण को विकृत कर देगा और उसे तोड़ देगा। हालाँकि, इस अध्ययन में उपयोग किए गए फाइबरों में एक विशेष डिज़ाइन है जहाँ केंद्र से किनारों तक प्रकाश को मोड़ने की पदार्थ की क्षमता धीरे-धीरे बदलती है, जो एक परवलयिक (parabolic) आकार बनाती है। यह ग्रेडिएंट एक सौम्य, अदृश्य लेंस की तरह कार्य करता है जो प्रकाश को लगातार केंद्र की ओर धकेलता है, जो किरण के फैलने की प्रवृत्ति का मुकाबला करता है। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के प्रकाश पल्स पर ध्यान केंद्रित किया जो स्थान और समय दोनों में सीमित है, जिसका अर्थ है कि यह प्रकाश का एक छोटा विस्फोट है जो चौड़ाई में भी संकीर्ण है। जब यह पल्स एक घुमाव, या "टोपोलॉजिकल चार्ज" (topological charge) ले जाता है, तो यह एक वोर्टेक्स (vortex) बनाता है जिसका केंद्र काला होता है जहाँ प्रकाश की तीव्रता शून्य हो जाती है।
टीम ने इन पल्स की जांच करने के लिए दो-चरणीय दृष्टिकोण अपनाया। सबसे पहले, उन्होंने यह अनुमान लगाने के लिए एक सरल गणितीय मॉडल विकसित किया कि प्रकाश कैसे व्यवहार करेगा, जिसमें पल्स को चौड़ाई और तीव्रता जैसे कुछ प्रमुख गुणों वाले एक एकल पिंड के रूप में माना गया। इसने उन्हें उन संभावित आकृतियों का मानचित्र बनाने की अनुमति दी जो ये प्रकाश बुलेट्स ले सकते हैं। उन्होंने पाया कि ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा के लिए, प्रकाश दो अलग-अलग आकृतियों में से एक में स्थिर हो सकता है। एक आकृति चौड़ी और कम तीव्र है, जबकि दूसरी संकरी और अधिक तीव्र है। यह घटना, जिसे द्विरूपता (bistability) कहा जाता है, का अर्थ है कि प्रणाली के पास दो स्थिर विकल्प उपलब्ध हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक गेंद पहाड़ी पर दो घाटियों में से एक में स्थिर होती है। शोधकर्ताओं ने पहचान की कि यह व्यवहार प्रकाश के घुमाव और इसकी संरचना में छल्लों (rings) की संख्या द्वारा वर्णित विशिष्ट संख्याओं पर निर्भर करता है।
इन भविष्यवाणियों की पुष्टि करने के लिए, टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए जिन्होंने फाइबर के माध्यम से यात्रा करते हुए प्रकाश पल्स को ट्रैक किया। उन्होंने प्रकाश में छोटे यादृच्छिक व्यवधान (random disturbances) पेश किए, जो एक वास्तविक प्रयोग में होने वाले शोर (noise) की नकल करते हैं, ताकि यह देखा जा सके कि बुलेट्स जीवित रह पाते हैं या नहीं। परिणामों ने दिखाया कि प्रकाश बुलेट वास्तव में मजबूत थे। जब तक पल्स फाइबर के माध्यम से कितनी तेजी से चलता है, उससे संबंधित एक विशिष्ट गुण के एक निश्चित स्तर से नीचे रहता है, तब तक यह स्थिर रहता है। यदि पल्स इस सीमा से ऊपर जाता है, तो यह टुकड़ों में टूट जाता है। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि स्थिर बुलेट अपना आकार या अपना घुमाव खोए बिना अपनी चौड़ाई के सैकड़ों गुना तक यात्रा कर सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब प्रकाश बुलेट को उसकी आदर्श स्थिति से थोड़ा विचलित किया जाता है। टूटने के बजाय, बुलेट "साँस" (breathe) लेने लगता है। इसकी चौड़ाई और तीव्रता एक नियमित, लयबद्ध पैटर्न में ऊपर-नीचे होती है, जो आगे बढ़ते हुए फैलती और सिकुड़ती है। यह सांस लेने वाला व्यवहार एक स्थिर प्रणाली का संकेत है जो ढहने के बिना छोटे झटकों को सह सकती है। टीम इन दोलनों (oscillations) की आवृत्ति की गणना करने में सक्षम थी और दिखाया कि प्रकाश पल्स एक परिभाषित सीमा के भीतर आगे-पीछे उछलते हुए, एक संभावित कुएं (potential well) में फंसे कण की तरह कार्य करता है। इस सांस लेने वाली गति की विस्तृत समझ यह समझाने में मदद करती है कि ये संरचनाएं इतनी लचीली क्यों हैं।
अध्ययन ने विभिन्न घुमावों और छल्लों की संख्या वाले प्रकाश पल्स पर ध्यान केंद्रित किया, जिससे पुष्टि हुई कि स्थिर व्यवहार विभिन्न विन्यासों के लिए सत्य है। शोधकर्ताओं ने इन अवस्थाओं को बनाने के लिए आवश्यक प्रयोगात्मक स्थितियों की पहचान की, जैसे कि फाइबर में उपयोग किए जाने वाले कांच का प्रकार और प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (wavelength)। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट कोर आकार और कांच के डोपिंग के एक विशेष प्रकार वाले फाइबर का उपयोग करने से आवश्यक स्थितियों को पूरा करने की अनुमति मिली। यह कार्य सुझाव देता है कि ये स्थिर, मुड़े हुए प्रकाश बुलेट्स केवल सैद्धांतिक जिज्ञासाएँ नहीं हैं बल्कि प्रयोगशाला सेटिंग में भौतिक रूप से संभव हैं।
यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रकाश को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित करती है जो सूचना ले जाने के लिए उपयोगी हो सकता है। ऐसे प्रकाश पल्स बनाने की क्षमता जो स्थिर हैं, घुमाव ले जाते हैं, और एक ही समय में दो अलग-अलग अवस्थाओं में मौजूद हैं, डेटा को एनकोड करने के लिए नई संभावनाएं प्रदान करती है। क्वांटम सूचना के क्षेत्र में, जहाँ किसी कण की अवस्था का उपयोग सूचना संग्रहीत करने के लिए किया जाता है, इन प्रकाश बुलेट्स को संचालित करने की क्षमता डेटा को संसाधित करने और प्रसारित करने के अधिक कुशल तरीकों की ओर ले जा सकती है। निष्कर्ष स्पष्ट चित्र प्रदान करते हैं कि जटिल वातावरण में प्रकाश कैसे व्यवहार करता है और उन उपकरणों के निर्माण के लिए एक रोडमैप प्रदान करते हैं जो इन अद्वितीय गुणों का उपयोग करते हैं। इन संरचनाओं को स्थिर और अनुमानित होने का प्रमाण देकर, शोधकर्ताओं ने भविष्य के प्रयोगों के लिए आधार तैयार किया है जो इन सैद्धांतिक अवधारणाओं को अगली पीढ़ी की ऑप्टिकल तकनीक के व्यावहारिक उपकरणों में बदल सकते हैं।
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