Chiral phonons driven by chiral cavities
यह शोध पत्र कंडेंस्ड-मैटर सिस्टम्स में कोणीय संवेग (angular momentum) को नियंत्रित करने के लिए क्षणिक प्रकाश-स्पंदन (transient light-pulse) विधियों के चुंबकीय-क्षेत्र-मुक्त विकल्प के रूप में, चिरल फोनोन (chiral phonons) की एक स्थिर-अवस्था आबादी उत्पन्न करने के लिए संचालित इलेक्ट्रोमैग्नेटिक कैविटीज़ के उपयोग का प्रस्ताव करता है।
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हमारी दुनिया को बनाने वाली ठोस सामग्रियों के भीतर, परमाणु वास्तव में कभी स्थिर नहीं होते हैं। यहाँ तक कि एक क्रिस्टल में भी जो पूरी तरह से कठोर दिखाई देता है, परमाणु लगातार कंपन करते रहते हैं, जैसे कि स्प्रिंग्स पर लगे छोटे वजन इधर-उधर हिल रहे हों। ये कंपन, जिन्हें फोनोन (phonons) कहा जाता है, आमतौर पर सीधी रेखाओं में या सरल आगे-पीछे के पैटर्न में चलते हैं। हालाँकि, विशिष्ट परिस्थितियों में, ये कंपन गोलाकार गति में घूम सकते हैं, जो या तो घड़ी की दिशा में (clockwise) या घड़ी की विपरीत दिशा में (counter-clockwise) घूमते हैं। जब वे ऐसा करते हैं, तो वे कोणीय संवेग (angular momentum) नामक एक गुण ले जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक घूमता हुआ लट्टू। यह घूमने वाली गति केवल एक जिज्ञासा नहीं है; यह सामग्री के भीतर एक सूक्ष्म चुंबकीय प्रभाव पैदा करती है। यदि इनमें से पर्याप्त कंपन एक ही दिशा में घूमते हैं, तो वे बिना किसी बाहरी चुंबक या विद्युत धारा की आवश्यकता के एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न कर सकते हैं। यह घटना, जहाँ ध्वनि तरंगें चुंबकत्व पैदा करती हैं, सामग्रियों के चुंबकीय गुणों को नियंत्रित करने के नए तरीके खोलती है, जो सूचनाओं को संग्रहीत करने और संसाधित करने के लिए अधिक तेज़ और कुशल तकनीकों की ओर ले जा सकती है।
वर्षों से, वैज्ञानिक इन घूमने वाले कंपनों, जिन्हें चिरल फोनोन (chiral phonons) कहा जाता है, को बनाने का प्रयास कर रहे हैं, लेकिन उनके तरीके सीमित रहे हैं। एक तरीका शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करना है, जिसके लिए विशिष्ट चुंबकीय सामग्रियों की आवश्यकता होती है। दूसरा तरीका परमाणुओं को घुमाने के लिए लघु, तीव्र लेजर प्रकाश के स्पंदों (pulses) का उपयोग करना है। जबकि लेजर विधि काम करती है, इसमें एक बड़ा दोष है: यह प्रभाव क्षणिक होता है। ये घूमने वाले कंपन एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से के लिए ही जीवित रहते हैं और फिर ऊर्जा के क्षय होने के साथ ही लुप्त हो जाते हैं। उन्हें जारी रखने के लिए, शोधकर्ताओं को स्पंदों की एक निरंतर धारा की बौछार करनी होगी, जिससे अक्सर नमूना इतना गर्म हो जाता है कि वह उपयोगी नहीं रह जाता। परिणाम एक क्षणिक प्रभाव होता है, चुंबकत्व की एक क्षणिक चमक जो प्रकट होने के तुरंत बाद गायब हो जाती है।
एक नए अध्ययन में, शोधकर्ता एक अलग दृष्टिकोण प्रस्तावित करते हैं जो इन घूमने वाले कंपनों को अनिश्चित काल तक जीवित रख सकता है। प्रकाश के छोटे झटकों के बजाय, वे सुझाव देते हैं कि सामग्री को एक विशेष कंटेनर, या कैविटी (cavity) के भीतर रखा जाए जो प्रकाश को फँसाकर उसे आगे-पीछे उछलने के लिए मजबूर करता है। कल्पना कीजिए कि दीवारों पर दर्पणों वाला एक कमरा है जो केवल एक विशिष्ट दिशा में घूमने वाले प्रकाश को परावर्तित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जैसे कि एक फिल्टर जो केवल घड़ी की दिशा में घूमने वाले फोटॉन को गुजरने देता है। इस कैविटी में निरंतर लेजर को चमकाने से, फंसा हुआ प्रकाश जमा हो जाता है और सामग्री के परमाणुओं के साथ परस्पर क्रिया करता है। क्योंकि कैविटी को केवल एक प्रकार के स्पिन को सहारा देने के लिए इंजीनियर किया गया है, यह स्वाभाविक रूप से परमाणुओं को उसी दिशा में कंपन करने के लिए प्रोत्साहित करता है। लेजर का निरंतर प्रवाह ऊर्जा को प्रवाहित रखता है, जिससे एक ऐसी स्थिर अवस्था बनती है जहाँ परमाणु केवल एक पल के लिए नहीं, बल्कि लगातार एक साथ घूमते रहते हैं।
शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली को एक सैद्धांतिक ढांचे का उपयोग करके मॉडल किया जो बताता है कि कैसे प्रकाश और ध्वनि तरंगें ऐसी कैविटी के भीतर ऊर्जा का आदान-प्रदान करती हैं। उन्होंने कुछ क्रिस्टल में पाए जाने वाले एक विशिष्ट प्रकार के कंपन पर ध्यान केंद्रित किया, जहाँ परमाणु सामग्री के कंपन स्पेक्ट्रम के केंद्र में एक घेरे में चलते हैं। प्रकाश और इन विशिष्ट परमाणु गतिविधियों के बीच की अंतःक्रिया की गणना करके, उन्होंने पाया कि यह प्रणाली घूमने वाले फोनोन की एक स्थिर आबादी वास्तव में उत्पन्न कर सकती है। उनकी गणना दर्शाती है कि 10 नैनोवाट जितनी कम लेजर शक्ति के साथ—जो कि एक बहुत ही मंद एलईडी की रोशनी के बराबर ऊर्जा की एक नगण्य मात्रा है—वे इन कंपनों की एक निरंतर धारा बना सकते हैं। यह निरंतर धारा लगभग 4 मिलीटेस्ला का प्रभावी चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करेगी। हालांकि यह क्षेत्र कागज क्लिप उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत नहीं है, फिर भी यह पहले के प्रयोगों में उपयोग किए गए बहुत अधिक शक्तिशाली, अल्पकालिक लेजर स्पंदों द्वारा उत्पन्न क्षेत्रों के तुल्य है।
यह अध्ययन कैविटी के डिजाइन के महत्व पर भी प्रकाश डालता है। कोई भी साधारण कंटेनर काम नहीं करेगा; कैविटी को "चिरल" (chiral) होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि इसे बाएं हाथ और दाएं हाथ के स्पिन के बीच अंतर करना चाहिए। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यदि कैविटी दोनों प्रकार के स्पिनों को सहारा देती है, तो प्रभाव रद्द हो जाता है। लेकिन यदि कैविटी को केवल एक को सहारा देने के लिए बनाया जाता है, तो परमाणु उस एकल दिशा के साथ संरेखित होने के लिए मजबूर होते हैं। उन्होंने पाया कि इस प्रभाव की ताकत इस बात पर निर्भर करती है कि प्रकाश और परमाणु कंपन आवृत्ति में कितनी अच्छी तरह मेल खाते हैं और वे कितनी कुशलता से ऊर्जा का आदान-प्रदान करते हैं। अपने आदर्श सेटअप में, 10 क्यूबिक माइक्रोमीटर के नमूना आकार का उपयोग करते हुए, प्रणाली उस बिंदु पर पहुँच जाती है जहाँ घूमने वाले कंपन निरंतर लेजर ड्राइव द्वारा बनाए रखे जाते हैं। यह घड़ी की दिशा और घड़ी की विपरीत दिशा के कंपनों के बीच एक स्थायी, स्थिर-अवस्था का असंतुलन बनाता है, जो पहले केवल एक लेजर पल्स के बाद एक क्षण के लिए ही संभव था।
यह कार्य बिना किसी बाहरी चुंबक की आवश्यकता के या क्षणिक स्पंदों पर निर्भर हुए, सामग्रियों के चुंबकीय गुणों को नियंत्रित करने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। शोधकर्ता प्रस्तावित करते हैं कि इन चिरल कैविटीज़ का उपयोग करके, वैज्ञानिक इन घूमने वाले कंपनों के व्यवहार का एक नियंत्रित, स्थिर वातावरण में अध्ययन कर सकते हैं। वे उल्लेख करते हैं कि हालांकि उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र स्थिर है, फिर भी यह एक सैद्धांतिक मॉडल और ज्ञात भौतिक गुणों पर आधारित एक सिमुलेशन है, न कि अभी तक किसी भौतिक प्रयोग से प्रत्यक्ष माप। हालाँकि, आंकड़े बताते हैं कि वर्तमान तकनीक के साथ, ऐसी स्थिर अवस्था बनाना संभव है। इन कंपनों को निरंतर बनाए रखने की क्षमता वैज्ञानिकों को यह अध्ययन करने के लिए नए प्रयोगों की अनुमति दे सकती है कि कैसे ध्वनि तरंगें चुंबकत्व को प्रभावित करती हैं, जो संभावित रूप से ऐसे उपकरणों की ओर ले जा सकती है जो पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स से जुड़ी गर्मी और ऊर्जा हानि के बिना सूचना ले जाने के लिए परमाणुओं के स्पिन का उपयोग करते हैं। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह विधि इन मौलिक घटनाओं का पता लगाने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है, जो भौतिकी की एक क्षणिक चमक को एक स्थिर, उपयोगी बल में बदल देती है।
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