A Portable Dual-Color Two-Photon Rubidium Optical Frequency Standard

समय वह अदृश्य धागा है जो आधुनिक सभ्यता को एक साथ थामे हुए है। हर बार जब एक स्मार्टफोन नेटवर्क से जुड़ता है, एक जहाज खुले महासागर में रास्ता खोजता है, या एक उपग्रह किसी रिसीवर को सिग्नल भेजता है, तो वह एक ऐसी घड़ी पर निर्भर करता है जो एक सेकंड के अरबवें हिस्से तक सटीक हो। दशकों से, सबसे विश्वसनीय पोर्टेबल घड़ियों ने माइक्रोवेव का उपयोग करके 'टिक' करने की तकनीक का इस्तेमाल किया है, एक ऐसी तकनीक जिसने हमारी अच्छी सेवा की है लेकिन अब यह अपनी सीमाओं तक पहुँच रही है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि माइक्रोवेव के बजाय प्रकाश (लाइट) का उपयोग करने से कहीं अधिक स्थिर घड़ियाँ बनाई जा सकती हैं, लेकिन ये "ऑप्टिकल" घड़ियाँ पारंपरिक रूप से विशाल, नाजुक मशीनें रही हैं जो केवल सावधानीपूर्वक नियंत्रित प्रयोगशालाओं के भीतर ही काम करती हैं। चुनौती इस नाजुक तकनीक को इतना छोटा करने की थी कि वह यात्रा कर सके, चलते वाहन के झटकों को झेल सके, और लैब बेंच की सुरक्षा के बाहर भी सटीक समय बनाए रख सके।

एडिलेड विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने सफलतापूर्वक एक पोर्टेबल परमाणु घड़ी बनाई और उसका परीक्षण किया है जो बिल्कुल यही करती है। उन्होंने एक स्व-निहित इकाई बनाई है जो एक मानक उपकरण रैक के भीतर फिट होती है, जिसका आकार एक बड़े सूटकेस के बराबर है, और जो क्षेत्र (फील्ड) में स्वायत्त रूप से कार्य कर सकती है। यह उपकरण रुबिडियम नामक एक विशिष्ट प्रकार के परमाणु और समय मापने के लिए प्रकाश के दो अलग-अलग रंगों के एक चतुर तरीके का उपयोग करता है। दूरसंचार में उपयोग की जाने वाली मजबूत, ऑफ-द-शेल्फ तकनीक को एक कस्टम-निर्मित सिस्टम के साथ जोड़कर, उन्होंने प्रदर्शित किया है कि एक ऑप्टिकल घड़ी अब प्रयोगशाला के बाहर कार्य कर सकती है। एक प्रमुख अंतर्राष्ट्रीय नौसेना अभ्यास के दौरान किए गए परीक्षणों में, इस घड़ी ने उस स्थिरता के साथ समय बनाए रखा जो बेहतरीन प्रयोगशाला उपकरणों की बराबरी करती है, जिससे यह सिद्ध होता है कि अगली पीढ़ी की टाइमिंग तकनीक वास्तविक दुनिया के लिए तैयार है।

इस नई घड़ी का केंद्र एक कांच की कोशिका (सेल) है जिसमें रुबिडियम परमाणुओं की गर्म वाष्प होती है। समय मापने के लिए, शोधकर्ता इस सेल में दो लेजर रोशनी डालते हैं। एक लेजर 780 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) पर प्रकाश उत्पन्न करता है, और दूसरा 776 नैनोमीटर पर। जब एक परमाणु इन दोनों लेजरों से एक साथ एक फोटॉन को अवशोषित करता है, तो वह उच्च ऊर्जा अवस्था में चला जाता है। यह विशिष्ट उछाल घड़ी की "टिक" है। शोधकर्ताओं ने सिस्टम को एक के बजाय दो अलग-अलग रंगों के प्रकाश का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया, यह चुनाव उन्हें बहुत कम लेजर पावर का उपयोग करने की अनुमति देता है और फिर भी एक मजबूत सिग्नल प्राप्त करने में मदद करता है। जब परमाणु यह उछाल मारते हैं, तो वे अंततः वापस नीचे गिरते हैं, जिससे 420 नैनोमीटर की नीली रोशनी निकलती है। घड़ी इस नीली चमक का पता लगाती है; यदि लेजर बिल्कुल सही फ्रीक्वेंसी पर ट्यून किए गए हैं, तो चमक सबसे तेज होती है। यदि लेजर थोड़ा भी विचलित होते हैं, तो चमक फीकी पड़ जाती है। सिस्टम लगातार लेजर को समायोजित करता रहता है ताकि चमक अपने शिखर पर बनी रहे, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि घड़ी परमाणु संक्रमण (ट्रांजिशन) की सटीक फ्रीक्वेंसी से जुड़ी रहे।

इसे एक पोर्टेबल पैकेज में काम करने योग्य बनाने के लिए, टीम को कई इंजीनियरिंग पहेलियों को हल करना पड़ा। लेजर स्वयं इन्फ्रारेड प्रकाश के रूप में शुरू होते हैं जो फाइबर-ऑप्टिक केबलों के माध्यम से यात्रा करते हैं, जो वैश्विक संचार के लिए उपयोग किए जाने वाले इंटरनेट इंफ्रास्ट्रक्चर के समान है। उपकरण के भीतर, इन इन्फ्रारेड बीमों को दृश्यमान 780 और 776 नैनोमीटर प्रकाश में परिवर्तित किया जाता है जिसकी परमाणुओं को उत्तेजित करने के लिए आवश्यकता होती है। पूरी ऑप्टिकल सेटअप को एक धातु के बॉक्स में रखा गया है जो नाजुक घटकों को कंपन और तापमान परिवर्तन से बचाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सिस्टम का एक महत्वपूर्ण हिस्सा एक ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब (comb) है, जो प्रकाश के लिए एक पैमाने (रूलर) की तरह कार्य करता है, जिससे डिवाइस प्रकाश तरंगों के अविश्वसनीय रूप से तेज़ दोलनों को एक स्थिर इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल में अनुवादित कर पाता है जिसका उपयोग मानक कंप्यूटरों और नेविगेशन सिस्टम द्वारा किया जा सकता है। यह कॉम्ब एक स्थिर ऑप्टिकल सिग्नल और एक माइक्रोवेव सिग्नल दोनों उत्पन्न करता है, जिससे डिवाइस मौजूदा इलेक्ट्रॉनिक बुनियादी ढांचे के अनुकूल बन जाता है।

शोधकर्ताओं ने अपनी रचना को एक चुनौतीपूर्ण वातावरण में परखा। वे इस घड़ी को 2022 के 'रिम ऑफ द पैसिफिक' अभ्यास में ले गए, जो प्रशांत महासागर में जहाजों और विमानों के बीच आयोजित एक विशाल अंतर्राष्ट्रीय नौसेना अभ्यास है। इस इकाई को वायु और समुद्र के माध्यम से ले जाया गया, एक चलते वाहन के पीछे संचालित किया गया, और एक नौसेना के जहाज के डेक पर स्वायत्त रूप से चलाया गया। पूरी यात्रा और अभ्यास के दौरान, घड़ी ने अपने आप शुरू होकर, अपने आंतरिक लूप को स्थिर करके, बिना किसी मानवीय हस्तक्षेप के समय बनाए रखा। जब टीम उपकरण को वापस प्रयोगशाला लेकर आई, तो उन्होंने इसकी तुलना अन्य अत्यधिक सटीक घड़ियों से की। यात्रा से पहले, घड़ी ने एक सेकंड के माप के बाद 1.9 × 10⁻¹³ की भिन्नात्मक आवृत्ति स्थिरता (fractional frequency stability) दिखाई। 8,000 सेकंड के बाद, इसने 3.5 × 10⁻¹⁵ की स्थिरता प्राप्त की। सटीकता का यह स्तर एक पोर्टेबल ऑप्टिकल क्लॉक के लिए एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है, जो कई वाणिज्यिक माइक्रोवेव घड़ियों के प्रदर्शन को पीछे छोड़ देता है और पिछले सिंगल-कलर ऑप्टिकल डिजाइनों की स्थिरता से मेल खाता है, लेकिन पूर्णतः स्वायत्त और फील्ड-रेडी होने के लाभ के साथ।

परिणाम संकेत देते हैं कि यह तकनीक व्यावहारिक तैनाती के लिए परिपक्व है, हालांकि शोधकर्ताओं ने नोट किया कि अंतर्राष्ट्रीय परिवहन के बाद प्रदर्शन में थोड़ी गिरावट आई। वे इस मामूली गिरावट का कारण प्रकाश बीमों के संरेखण (अलाइनमेंट) में एक यांत्रिक समस्या को मानते हैं, जो यात्रा के कंपन के कारण खिसक गई थी। यह अवधारणा की विफलता नहीं है, बल्कि एक विशिष्ट इंजीनियरिंग बाधा है जिसे भविष्य के संस्करणों में ठीक किया जा सकता है। टीम का मानना है कि यांत्रिक डिजाइन में और सुधार और फोटोनिक सर्किट के एकीकरण के साथ, इन उपकरणों के आकार, वजन और बिजली की खपत को और भी कम किया जा सकता है। यह सफल प्रदर्शन एक महत्वपूर्ण मोड़ है, जो यह दर्शाता है कि ऑप्टिकल परमाणु घड़ियाँ अब केवल प्रयोगशाला की जिज्ञासाएं नहीं रह गई हैं, बल्कि वे उन वातावरणों में नेविगेशन, वैज्ञानिक अनुसंधान और सुरक्षित संचार के लिए व्यवहार्य उपकरण बन रही हैं जहाँ जीपीएस सिग्नल अनुपलब्ध या अविश्वसनीय हो सकते हैं।