Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates
यह शोध पत्र प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है कि एक क्वेंच (quench) के पश्चात, विमिश्रणीय (immiscible) 2D बोस-आइंस्टीन कंडन्सेट्स के बीच का इंटरफेस एक दीर्घजीवी प्रीथर्मल अवस्था में प्रवेश करता है, जो रिपलॉन मोड (ripplon modes) के बीच ऊर्जा के गैर-समान वितरण द्वारा अभिलक्षित है, जहाँ उच्च-संवेग वाले मोड बल्क के साथ साम्यावस्था में आ जाते हैं जबकि निम्न-संवेग वाले मोड गतिज अलगाव (kinematic isolation) के कारण उच्च तापमान पर बने रहते हैं।
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क्वांटम भौतिकी की शांत दुनिया में, जहाँ परमाणु ठोस गोलों की तरह नहीं बल्कि ओवरलैपिंग तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं, वैज्ञानिक लंबे समय से एक सरल नियम पर भरोसा करते आए हैं: पर्याप्त समय मिलने पर, एक अराजक प्रणाली अंततः एक शांत, अनुमानित अवस्था में स्थिर हो जाएगी जिसे तापीय साम्यावस्था (थर्मल इक्विलिब्रियम) कहा जाता है। यह वह अवस्था है जहाँ ऊर्जा प्रणाली के सभी हिस्सों के बीच समान रूप से साझा की जाती है, जैसे कि कॉफी का एक कप तब तक ठंडा होता है जब तक कि वह कमरे के तापमान के बराबर न हो जाए। हालाँकि, प्रकृति कभी-कभी एक अलग रास्ता चुन लेती है। उस अंतिम शांति तक पहुँचने से पहले, कई प्रणालियाँ एक लंबे समय तक चलने वाली, अर्ध-स्थिर स्थिति में फंस जाती हैं जिसे प्रीथर्मल (prethermal) अवस्था कहा जाता है। इस चरण में, प्रणाली ऐसी प्रतीत होती है जैसे कि वह स्थिर हो गई है, फिर भी वह अपनी प्रारंभिक अराजकता की स्मृति को थामे रहती है, और अपनी ऊर्जा को निष्पक्ष रूप से साझा करने से इनकार कर देती है। यह समझना कि ये प्रणालियाँ क्यों और कैसे फंस जाती हैं, एक मौलिक चुनौती है, जो ब्रह्मांड के शुरुआती क्षणों से लेकर जटिल पदार्थों के व्यवहार तक, सब कुछ समझने के संकेत प्रदान करता है।
जॉइंट क्वांटम इंस्टीट्यूट और नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस घटना को जीवंत रूप में पकड़ा है, जिसे उन्होंने अति-शीत परमाणुओं के एक बादल के भीतर देखा है। उन्होंने एक ऐसी स्थिति बनाई जहाँ दो अलग-अलग प्रकार के परमाणु, जो स्वाभाविक रूप से एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, उन्हें एक स्थान साझा करने के लिए मजबूर किया गया। जब स्थितियों को अचानक बदल दिया गया, तो ये परमाणु तुरंत मिश्रित या अलग नहीं हुए। इसके बजाय, उन्होंने दो बड़े डोमेन के बीच एक तीक्ष्ण सीमा, एक एक-आयामी इंटरफेस (interface) बनाया। यह सीमा एक स्थिर दीवार नहीं थी; यह 'रिप्लोंस' (ripplons) नामक तरंगों के साथ लहराती और डगमगाती रही। इन तरंगों के विकास को समय के साथ देखते हुए, वैज्ञानिकों ने पाया कि इंटरफेस ने एक प्रीथर्मल अवस्था में प्रवेश किया जिसने ऊर्जा साझा करने के सामान्य नियमों को चुनौती दी।
प्रयोग लगभग 1.6 मिलियन सोडियम परमाणुओं के एक बादल के साथ शुरू हुआ, जिसे परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान पर ठंडा किया गया था और एक चपटे, वर्गाकार बॉक्स में कैद किया गया था। प्रारंभ में, सभी परमाणु एक ही क्वांटम अवस्था में थे। शोधकर्ताओं ने फिर एक माइक्रोवेव पल्स का उपयोग करके बादल को परमाणुओं के दो समान समूहों में विभाजित किया जो परस्पर असंगत थे, जैसे तेल और पानी। ये दो समूह तुरंत अलग होने लगे, जिससे यादृच्छिक बूंदें बनीं जो आपस में मिलीं और बढ़ती गईं, जब तक कि बॉक्स के विपरीत दिशाओं में दो बड़े, स्पष्ट डोमेन उभर नहीं आए। उनके बीच की सीमा अध्ययन का केंद्र थी। जैसे-जैसे परमाणु स्थिर हुए, दोनों डोमेन के बीच का इंटरफेस उतार-चढ़ाव करने लगा, जिससे विभिन्न आकारों की तरंगें उत्पन्न हुईं। शोधकर्ताओं ने अत्यधिक सटीकता के साथ इस सीमा की ऊँचाई को मापा, और ट्रैक किया कि ये तरंगें चार सेकंड की अवधि तक कैसे बदलीं।
उन्होंने एक चौंकाने वाले व्यवहार विभाजन को पाया। इंटरफेस पर तरंगें कई आकारों की थीं, बहुत छोटी, घनी लहरों से लेकर लंबी, व्यापक लहरों तक। छोटी, उच्च-आवृत्ति वाली लहरों ने आसपास के परमाणु बादल में अपनी ऊर्जा तेजी से खो दी, और गैस के मुख्य भाग के तापमान के अनुरूप स्थिर हो गईं। हालाँकि, लंबी, निम्न-आवृत्ति वाली तरंगों ने अलग व्यवहार किया। ये बड़ी लहरें गर्म बनी रहीं, और लंबे समय तक प्रतीक्षा करने के बाद भी, उन्होंने शेष प्रणाली की तुलना में काफी अधिक ऊर्जा को थामे रखा। प्रणाली एक ऐसी अवस्था में पहुँच गई थी जहाँ छोटी तरंगें शांत थीं, लेकिन बड़ी तरंगें अभी भी उत्तेजित थीं, जिससे एक लंबे समय तक चलने वाली प्रीथर्मल संरचना बन गई।
इसे समझने के लिए, वैज्ञानिकों को यह देखना था कि ऊर्जा इन तरंगों और आसपास के परमाणुओं के बीच कैसे चलती है। एक विशिष्ट प्रणाली में, ऊर्जा स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होती है जब तक कि सब कुछ एक ही तापमान का न हो जाए। यहाँ, गति के नियमों ने बड़ी तरंगों के लिए उस प्रवाह को रोक दिया। शोधकर्ताओं ने पाया कि बड़ी लहरें 'काइनेमैटिकली आइसोलेटेड' (kinematically isolated) थीं। इसका अर्थ है कि उनकी गति को नियंत्रित करने वाले भौतिकी के नियमों ने यह असंभव बना दिया कि वे सामान्य टक्कर जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से आसपास के परमाणुओं को अपनी ऊर्जा आसानी से स्थानांतरित कर सकें। एक बड़ी लहर को अपनी गर्मी छोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा और आसपास के परमाणुओं में उपलब्ध ऊर्जा के बीच एक बेमेल (mismatch) था, जिसने स्थानांतरण को बाधित कर दिया। यह एक भारी पत्थर को मंद हवा से धकेलने की कोशिश करने के समान है; हवा चाहे कितनी भी देर तक चलती रहे, वह पत्थर को हिला नहीं सकती।
टीम ने इन तरंगों के तापमान को सीधे मापकर इस अलगाव की पुष्टि की। उन्होंने पाया कि बड़ी लहरों का तापमान आसपास की गैस के तापमान से बहुत अधिक था, जबकि छोटी लहरों ने गैस के साथ तालमेल बिठाने के लिए खुद को ठंडा कर लिया था। उन्होंने अन्य संभावनाओं को भी खारिज कर दिया, जैसे कि तरंगों का किसी लेजर बीम की तरह एक विशेष, सुसंगत अवस्था बनाना, यह दिखाते हुए कि तरंगों ने एक मानक सांख्यिकीय पैटर्न का पालन किया, बस गलत तापमान के साथ। डेटा ने दिखाया कि बड़ी लहरों का क्षय अविश्वसनीय रूप से धीरे-धीरे हुआ, जिसका मापा गया समय लगभग पाँच सेकंड था, जो छोटी लहरों के स्थिर होने के समय से बहुत अधिक था।
यह खोज एक स्पष्ट, प्रयोगात्मक उदाहरण प्रदान करती है कि कैसे एक प्रणाली इसलिए नहीं फंस जाती क्योंकि वह पूरी तरह से व्यवस्थित है, बल्कि इसलिए क्योंकि ऊर्जा के संचार के विशिष्ट मार्ग स्वयं प्रणाली की ज्यामिति द्वारा अवरुद्ध हैं। शोधकर्ताओं ने देखा कि दो परमाणु डोमेन के बीच का इंटरफेस एक ऐसे उप-तंत्र (subsystem) के रूप में कार्य कर रहा था जो एक महत्वपूर्ण अवधि के लिए शेष दुनिया से प्रभावी रूप रूप से कटा हुआ था। जबकि छोटी तरंगों ने साम्यावस्था का मार्ग खोज लिया, बड़ी लहरें उच्च ऊर्जा की स्थिति में फंसी रहीं, और उस दुर्लभ, जटिल अंतःक्रिया की प्रतीक्षा करती रहीं जो अंततः उन्हें ठंडा होने की अनुमति दे सके।
यह कार्य क्वांटम यांत्रिकी के एक मौलिक पहलू को उजागर करता है: भले ही एक प्रणाली पूरी तरह से अलग-थलग न हो, कुछ हिस्से लंबे समय तक साम्यावस्था से बाहर रह सकते हैं यदि ऊर्जा विनिमय के मार्ग अवरुद्ध हों। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि उन्होंने इस धीमी रिलैक्सेशन (relaxation) के तंत्र की पहचान कर ली है, लेकिन वे सटीक प्रक्रियाएं जिन्होंने शुरू में इस प्रीथर्मल अवस्था को बनाया और यह अंततः कैसे समाप्त होती है, इसके पूर्ण विवरण अभी भी खुले प्रश्न हैं। उनका सुझाव है कि उत्तर इस बात में हो सकता है कि व्यक्तिगत तरंगें अपनी फेज कोहेरेंस (phase coherence) कैसे खोती हैं या प्रीथर्मल समूह के भीतर एक-दूसरे के साथ कैसे मिश्रित होती हैं। इस तरह की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए एक स्वच्छ, नियंत्रणीय मंच प्रदान करके, यह प्रयोग यह समझने के लिए एक नया द्वार खोलता है कि जटिल क्वांटम प्रणालियाँ साम्यावस्था के करीब कैसे पहुँचती हैं, जो कि सूक्ष्म स्तर पर पदार्थ के व्यवहार के लिए केंद्रीय प्रक्रिया है।
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