Fast quantum squeezing of a nanomechanical oscillator with an inverted potential
यह शोध पत्र कमरे के तापमान पर एक ऑप्टिकली लेविटेटेड सिलिका नैनोपार्टिकल के लिब्रेशन मोड को इनवर्टेड पोटेंशियल (उलटे विभव) के संपर्क में लाकर 11 dB क्वांटम स्क्वीजिंग के तीव्र उत्पादन को प्रदर्शित करता है, जो स्क्वीजिंग की प्रक्रिया को 250 नैनोसेकंड के भीतर डिकोहेरेंस से आगे निकलने के लिए तेजी से त्वरित करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
सूक्ष्म दुनिया में, भौतिकी के नियम हमारे दैनिक जीवन की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करते हैं। सबसे मौलिक नियमों में से एक यह है कि किसी वस्तु की स्थिति को कितनी सटीकता से जाना जा सकता है, इसकी एक सीमा होती है। यह हमारे मापने वाले उपकरणों की कोई खामी नहीं है, बल्कि प्रकृति की एक अंतर्निहित विशेषता है, जिसे अक्सर क्वांटम अनिश्चितता (quantum uncertainty) कहा जाता है। कल्पना कीजिए कि आप एक ही समय में एक सूक्ष्म कण की स्थिति और गति को मापने की कोशिश कर रहे हैं; आप एक को जितना सटीक रूप से निर्धारित करेंगे, दूसरा उतना ही धुंधला होता जाएगा। यह अनिश्चितता एक पृष्ठभूमि "शोर" या थरथराहट पैदा करती है जो एक पूर्ण निर्वात (vacuum) में भी मौजूद रहती है, जिसे वैक्यूम फ्लक्चुएशन (vacuum fluctuations) के रूप में जाना जाता है। उन वैज्ञानिकों के लिए जो अत्यंत संवेदनशील सेंसर या शक्तिशाली क्वांटम कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं, यह शोर एक बड़ी बाधा है। इससे बचने के लिए, शोधकर्ता 'स्क्वीजिंग' (squeezing) नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। एक गुण, जैसे कि स्थिति, से अनिश्चितता को पूरी तरह से खत्म करने के बजाय, वे इसे एक अलग गुण में बदल देते हैं, जैसे कि संवेग (momentum), जो उस कार्य के लिए कम महत्वपूर्ण हो। यह उन्हें उस सिग्नल को बहुत अधिक स्पष्ट रूप से देखने की अनुमति देता है जिसे वे खोज रहे हैं, प्रभावी रूप से पदार्थ की ऐसी अवस्था बनाता है जो प्रकृति की सामान्य अनुमति से कहीं अधिक शांत है।
द दशकों तक, इस तरह के नियंत्रण को यांत्रिक वस्तुओं पर प्राप्त करना अविश्वसनीय रूप से कठिन रहा है, विशेष रूप से एक एकल परमाणु से बड़ी किसी भी चीज़ के लिए। अधिकांश सफल प्रयोगों के लिए वस्तुओं को परम शून्य (absolute zero) के तापमान के करीब जमाने और उन्हें स्थिर करने के लिए जटिल इलेक्ट्रॉनिक सर्किट का उपयोग करने की आवश्यकता थी। हालाँकि, ETH ज्यूरिख के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बिना अत्यधिक ठंड की आवश्यकता के, कमरे के तापमान पर एक छोटी, ठोस वस्तु की गति को 'स्क्वीज' करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक एकल नैनोपार्टिकल के साथ काम किया, जो सिलिका गोलों का एक समूह था जिसका व्यास लगभग एक सौ बीस नैनोमीटर था, जो मानव बाल से लगभग एक हजार गुना पतला है। यह कण सतह से चिपका हुआ या बंधा हुआ नहीं था; इसके बजाय, इसे लेजर प्रकाश की एक किरण द्वारा हवा में लटकाया गया था, जिसे ऑप्टिकल लेविटेशन (optical levitation) नामक तकनीक कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने कण को एक वैक्यूम चैंबर में फंसाकर और उसी लेजर प्रकाश का उपयोग करके इसकी गति को ठंडा करके, कण की घूमने वाली गति, या लिब्रेशन (libration), को उसके निम्नतम संभव ऊर्जा स्तर तक पहुँचा दिया, जिसे क्वांटम ग्राउंड स्टेट (quantum ground state) कहा जाता है।
यह सफलता तब आई जब वैज्ञानिकों ने कण को थामने वाले ट्रैप के नियमों को बदलने का निर्णय लिया। सामान्यतः, लेजर प्रकाश एक स्थिर कटोरे जैसा आकार बनाता है जो कण को केंद्र में रखता है। यदि कण केंद्र से दूर जाता है, तो प्रकाश उसे वापस धकेलता है, ठीक वैसे ही जैसे एक संगमरमर का गोला कटोरे के तल में बैठा होता है। हालाँकि, शोधकर्ता कुछ अलग करना चाहते थे। उन्होंने लेजर के ध्रुवीकरण (polarization) की दिशा को तेजी से बदल दिया, जिससे प्रभावी रूप से कटोरा उल्टा हो गया। इस नए, उलटे आकार में, केंद्र अब एक सुरक्षित विश्राम स्थल नहीं बल्कि एक अनिश्चित शिखर बन गया। यदि आप एक पहाड़ी की चोटी पर संगमरमर रखते हैं, तो मामूली सा धक्का भी उसे लुढ़कने पर मजबूर कर देगा, और वह जितना दूर लुढ़केगा, उतनी ही तेजी से आगे बढ़ेगा। शोधकर्ताओं ने अपने नैनोपार्टिकल के लिए यही बनाया: एक उल्टा विभव (inverted potential) जहाँ कण अस्थिरता के शिखर पर टिका हुआ है।
जब कण को इस उल्टे विभव में रखा गया, तो इसकी गति नाटकीय और अनुमानित तरीके से बदलने लगी। धीरे-धीरे आगे-पीछे डोलने के बजाय, इसकी स्थिति और गति में उतार-चढ़ाव तेजी से बढ़ने लगे। इसकी गति के एक पहलू को खींचकर बढ़ाया गया, जबकि लंबवत (perpendicular) पहलू को संकुचित और स्क्वीज कर दिया गया। यह प्रक्रिया अविश्वसनीय गति से हुई। मात्र दो सौ पचास नैनोसेकंड के भीतर—एक ऐसा समय जो इतना छोटा है कि यह एक एकल दोलन चक्र (oscillation cycle) का पांचवां हिस्सा भी नहीं है—शोधकर्ताओं ने कण की गति को वैक्यूम फ्लक्चुएशन के स्तर से ग्यारह डेसिबल नीचे स्क्वीज कर दिया था। यह शोर में एक महत्वपूर्ण कमी है, जिसका अर्थ है कि कण गति की ऐसी अवस्था में था जो सामान्यतः संभव नहीं है। प्रयोग ने दिखाया कि इस उल्टे विभव का उपयोग करके, वे क्वांटम स्क्वीजिंग को उस दर से कहीं अधिक तेजी से उत्पन्न कर सकते थे जिस दर से वातावरण आमतौर पर इस नाजुक क्वांटम अवस्था को नष्ट कर देता है।
टीम ने यह भी देखा कि इस स्क्वीज्ड अवस्था कितने समय तक जीवित रह सकती है। एक बार जब कण को एक स्थिर ट्रैप में वापस लाया गया, तो स्क्वीज्ड अवस्था फीकी पड़ने लगी, और लगभग तीस दोलन चक्रों के बाद सामान्य, शोर वाली अवस्था में लौट आई। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि यह क्षय (decay) उसी प्रकाश के कारण हुआ जिसका उपयोग कण को ठंडा करने और मापने के लिए किया गया था, जो थोड़ी मात्रा में यादृच्छिक शोर (random noise) पेश करता है। उन्होंने गणना की कि यदि वे इस विशिष्ट शोर के स्रोत को हटा सकें, तो स्क्वीज्ड अवस्था लगभग दो सौ चालीस दोलन चक्रों तक जीवित रह सकती है, जो उनके द्वारा देखे गए समय से लगभग दस गुना अधिक है। यह सुझाव देता है कि वर्तमान सीमा भौतिकी का कोई मौलिक नियम नहीं है, बल्कि एक तकनीकी बाधा है जिसे बेहतर प्रयोगात्मक डिजाइन के साथ दूर किया जा सकता है।
यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह बिना क्रायोजेनिक रेफ्रिजरेशन की आवश्यकता के विशाल वस्तुओं के क्वांटम व्यवहार को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित करता है। ऐसी मजबूत स्क्वीजिंग प्राप्त करने के लिए पिछली विधियों को अत्यधिक ठंडे वातावरण में जटिल इलेक्ट्रॉनिक सेटअप की आवश्यकता थी। प्रकाश का उपयोग करके एक अस्थिर विभव बनाने के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि कमरे के तापमान पर क्वांटम नियंत्रण संभव है। इन स्क्वीज्ड अवस्थाओं को इतनी तेजी से और कमरे के तापमान पर उत्पन्न करने की क्षमता अत्यंत कमजोर बलों या कणों का पता लगाने वाले नए प्रकार के सेंसरों के द्वार खोलती है। यह क्वांटम यांत्रिकी की सीमाओं का परीक्षण करने के लिए एक मंच भी प्रदान करता है, जिससे वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति मिलती है कि एक बड़ी वस्तु क्वांटम नियमों के अनुसार व्यवहार करते हुए कितनी बड़ी हो सकती है। प्रयोग सिद्ध करता है कि ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) के आकार को बदलकर, शोधकर्ता क्वांटम अवस्थाओं के सृजन को तेज कर सकते हैं, जो भविष्य के क्वांटम सेंसिंग और मेट्रोलॉजी के लिए एक शक्तिशाली उपकरण प्रदान करता है।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।