Strong-coupling quantum optics in free space with holes in a Fermi sea

प्रकाश और पदार्थ के बीच एक जटिल संबंध है। रोजमर्रा की दुनिया में, जब एक परमाणु प्रकाश की एक चमक को अवशोषित करता है और फिर उसे छोड़ता है, तो ऊर्जा आमतौर पर हर दिशा में बिखर जाती है, जैसे एक शांत तालाब में पत्थर गिरने से लहरें बाहर की ओर एक पूर्ण वृत्त में फैलती हैं। यह यादृच्छिक बिखराव उन्नत तकनीकों, जैसे कि क्वांटम कंप्यूटर या अति-तेज नेटवर्क के लिए प्रकाश को नियंत्रित करना कठिन बना देता है, क्योंकि संकेत शोर (noise) में खो जाता है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने पारंपरिक रूप से भौतिक जाल बनाए हैं, जैसे कि छोटे दर्पण या खोखली नलियाँ, ताकि प्रकाश को एक विशिष्ट दिशा में यात्रा करने के लिए मजबूर किया जा सके। हालाँकि, ये संरचनाएँ जटिल हैं और इन्हें बनाना कठिन है। एक अधिक हालिया विचार यह रहा है कि कई परमाणुओं को एक सटीक रेखा में व्यवस्थित किया जाए ताकि वे एक एकल, विशाल एंटीना के रूप में कार्य कर सकें जो प्रकाश को निर्देशित कर सके। लेकिन क्या होगा यदि एक अकेला परमाणु यह स्वयं कर सके? यह प्रश्न उस नए शोध के केंद्र में है जो यह खोजने की कोशिश कर रहा है कि कैसे एक एकल परमाणु को बिना किसी दर्पण या ट्यूब के एक अत्यधिक कुशल, दिशात्मक एंटीना की तरह व्यवहार करने के लिए बनाया जाए।

एकल परमाणु का उपयोग करने के साथ चुनौती भौतिकी का एक मौलिक नियम है जो संवेग (momentum) से संबंधित है। जब एक परमाणु एक फोटॉन, या प्रकाश के एक कण को उत्सर्जित करता है, तो परमाणु स्वयं पीछे की ओर धकेला जाता है, ठीक वैसे ही जैसे एक तोप के गोले दागने पर तोप पीछे की ओर झटका (recoil) लेती है। यह धक्का, जिसे 'रिकोइल किक' (recoil kick) कहा जाता है, परमाणु की स्थिति को अस्त-व्यस्त कर देता है और उन नाजुक व्यतिकरण पैटर्न (interference patterns) को नष्ट कर देता है जो प्रकाश को केंद्रित करने के लिए आवश्यक होते हैं। यदि परमाणु बड़ा है या ढीले तरीके से पकड़ा गया है, तो यह धक्का प्रकाश को कई अलग-अलग दिशाओं में बिखेर देता है, जिससे एक मजबूत, केंद्रित बीम बनाने की संभावना नष्ट हो जाती है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों का मानना था कि एक एकल परमाणु खुले स्थान में कभी भी एक मजबूत एंटीना नहीं हो सकता क्योंकि यह अपरिहार्य रिकोइल (recoil) का शिकार होता है। नया कार्य इस समस्या को दूर करने के लिए एक चतुर तरीका प्रस्तावित करता है, जिसमें क्वांटम यांत्रिकी के उन नियमों का उपयोग किया जाता है जो यह निर्धारित करते हैं कि जब कण समान होते हैं तो वे कैसे व्यवहार करते हैं।

शोधकर्ता एक ऐसी विधि प्रस्तावित करते हैं जहाँ एक एकल परमाणु को कई अन्य समान परमाणुओं के साथ एक जाल (trap) के भीतर रखा जाता है, जो सभी 'फर्मियॉन' (fermions) हैं, जो कणों का एक विशिष्ट प्रकार है जो बैठने के स्थानों के बारे में सख्त सामाजिक नियमों का पालन करते हैं। एक भीड़भाड़ वाले थिएटर की कल्पना करें जहाँ एक सीट को छोड़कर हर सीट भरी हुई है। यदि बैठा हुआ कोई व्यक्ति खड़ा होता है और दूसरी सीट पर जाने की कोशिश करता है, तो वह केवल तभी ऐसा कर सकता है जब वह सीट खाली हो। इस प्रयोग में, वैज्ञानिक एक जाल को कई फर्मियॉन से भर देते हैं, जिससे कणों का एक "समुद्र" बन जाता है जहाँ प्रत्येक निम्न-ऊर्जा अवस्था (low-energy state) भरी हुई होती है। वे फिर केवल एक इन परमाणुओं को उत्तेजित (excite) करते हैं। क्योंकि अन्य सभी निम्न-ऊर्जा अवस्थाएँ पहले से ही अन्य परमाणुओं से भरी हुई हैं, इसलिए उत्तेजित परमाणु को प्रकाश उत्सर्जित करते समय क्वांटम नियमों द्वारा उन अवस्थाओं में जाने से रोका जाता है जो उसकी गति को बदल सकती हैं। उसे किसी भी ऐसी गति में बदलने से रोका जाता है जो रिकोइल किक पैदा करे। परमाणु के लिए बचा हुआ एकमात्र रास्ता यही है कि वह बिल्कुल वहीं रहे, और बिना किसी पीछे के धक्के के प्रकाश उत्सर्जित करे।

इन अवांछित गतिविधियों को रोककर, शोधकर्ताओं ने पाया कि परमाणु की तरंग-जैसी प्रकृति, जो आमतौर पर फैल जाती है, को एक केंद्रित एंटीना के रूप में आकार दिया जा सकता है। प्रकाश को सभी दिशाओं में बिखेरने के बजाय, परमाणु परमाणु उत्सर्जन को एक तंग बीम में निर्देशित करता है। अध्ययन से पता चलता है कि जैसे-जैसे अधिक पथों को रोकने के लिए जाल में अधिक फर्मियॉन जोड़े जाते हैं, इस निर्देशित उत्सर्जन की दक्षता नाटकीय रूप रूप से बढ़ती है। सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि सैकड़ों अवरोधक परमाणुओं के साथ, एक एकल उत्तेजित परमाणु नियंत्रण का एक ऐसा स्तर प्राप्त कर सकता है जो जटिल दर्पणों और ट्यूबों का उपयोग करके बनाई गई वर्तमान सर्वश्रेष्ठ प्रणालियों की बराबरी करता है। इसका अर्थ है कि एक एकल परमाणु, अपने साथियों की सही भीड़ से घिरा होने पर, मुक्त स्थान में प्रकाश को पकड़ने और निर्देशित करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बन सकता है।

इस खोज के निहितार्थ केवल एक बेहतर एंटीना बनाने से कहीं अधिक हैं। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि यह सेटअप एक एकल परमाणु को प्रकाश के लिए एक आदर्श दर्पण के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है। यदि प्रकाश की एक किरण इस परमाणु से टकराती है, तो परमाणु पूरे बीम को वापस परावर्तित कर देता है, जिससे वह प्रकाश रद्द हो जाता है जो आगे बढ़ सकता था। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि परमाणु प्रकाश को विपरीत दिशा में पुन: उत्सर्जित करने में इतना कुशल है कि वह आगे के मार्ग को पूरी तरह से अवरुद्ध कर देता है। इसके अलावा, अध्ययन बताता है कि इस सिद्धांत का उपयोग लंबी दूरी तक एक-दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करने वाली परमाणुओं की श्रृंखला बनाने के लिए किया जा सकता है, जिससे प्रकाश और पदार्थ के ऐसे नए पैटर्न बनते हैं जो प्रकृति में मौजूद नहीं हैं। यह कार्य एक ऐसे तरीके की ओर भी संकेत करता है जिससे परमाणुओं को किसी भी वांछित पैटर्न में प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए बनाया जा सकता है, जिसमें प्रकाश को केवल एक दिशा में भेजना शामिल है, जो कि एक एकल परमाणु के लिए आमतौर पर असंभव कार्य है।

यह दृष्टिकोण नया हार्डवेयर बनाने या भौतिकी के नियमों को बदलने की आवश्यकता नहीं रखता है; इसके लिए केवल मौजूदा परमाणुओं को उनके प्राकृतिक क्वांटम व्यवहार का लाभ उठाने के लिए एक विशिष्ट तरीके से व्यवस्थित करने की आवश्यकता है। विस्तृत सैद्धांतिक गणनाओं और सिमुलेशन से प्राप्त परिणाम बताते हैं कि एकल-परमाणु प्रकाश-पदार्थ संपर्क की सीमाएं उतनी कठोर नहीं हैं जितनी पहले समझी गई थीं। भीड़ के क्वांटम नियमों का उपयोग करके व्यक्तिगत को सुरक्षित करके, वैज्ञानिकों ने अगली पीढ़ी की क्वांटम तकनीक के लिए आवश्यक कुशल, नियंत्रणीय इंटरफेस बनाने का एक नया मार्ग खोज लिया है। एक एकल परमाणु को खुले स्थान में एक निर्देशित एंटीना या एक आदर्श दर्पण में बदलने की क्षमता, प्रकाश को हेरफेर करने के लिए सरल, अधिक मजबूत प्रणालियों के निर्माण के द्वार खोलती है, जो भविष्य के क्वांटम उपकरणों के निर्माण के बारे में हमारी सोच को संभावित रूप से बदल सकती है।