Fragmentation of Quantum Fluid in dipolar Bose-Einstein condensate

ब्रह्मांड के सबसे ठंडे कोनों में, जहाँ परमाणु पूर्ण शून्य (absolute zero) से बस एक हल्की सी आहट ऊपर के तापमान पर ठंडे किए जाते हैं, पदार्थ ऐसे तरीकों से व्यवहार करता है जो हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं। यहाँ, क्वांटम भौतिकी के क्षेत्र में, गैस के बादल एक एकल, एकीकृत इकाई में बदल सकते हैं जिसे बोस-आइंस्टीन कंडनसेट (Bose-Einstein condensate) के रूप में जाना जाता है। इस अवस्था में, हजारों परमाणु अपनी व्यक्तिगत पहचान खो देते हैं और एक साथ कदम से कदम मिलाकर चलते हैं, जो एक विशाल तरंग की तरह कार्य करते हैं। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से अध्ययन किया है कि ये तरल पदार्थ बिना घर्षण के कैसे बहते हैं, जिसे सुपरफ्लुइडिटी (superfluidity) नामक गुण कहा जाता है। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने खोजा है कि विशिष्ट परिस्थितियों में, ये समान तरल पदार्थ छोटे, स्व-निहित बूंदों का भी निर्माण कर सकते हैं जो एक तरल की तरह व्यवहार करते हैं, फिर भी एक कठोर, क्रिस्टल जैसी संरचना में जमे रहते हैं। यह अजीब हाइब्रिड अवस्था, जिसमें एक तरल का प्रवाह और एक ठोस की संरचना होती है, सुपरसॉलिड (supersolid) कहलाती है। इन सामग्रियों के बनने के तरीके और उनके टूटने या खंडित होने के कारणों को समझना अगली पीढ़ी की क्वांटम प्रौद्योगिकियों को विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है, जो अति-सटीक सेंसर से लेकर उन्नत कंप्यूटरों तक विस्तृत हैं।

भारत के बेनेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में उन बलों पर बारीकी से नज़र डाली है जो इस नाजुक संतुलन को नियंत्रित करते हैं। उन्होंने चुंबकीय द्विध्रुव (magnetic dipole) वाले परमाणुओं से बने एक विशिष्ट प्रकार के क्वांटम तरल पर ध्यान केंद्रित किया, जिसका अर्थ है कि वे छोटे बार मैग्नेट की तरह कार्य करते हैं। ये चुंबकीय परमाणु एक-दूसरे के साथ लंबी दूरी तक परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे विभिन्न प्रकार के बलों के बीच एक जटिल खींचतान पैदा होती है। कुछ बल परमाणुओं को एक साथ खींचते हैं, जबकि अन्य उन्हें दूर धकेलते हैं। शोधकर्ता यह समझना चाहते थे कि कैसे ये प्रतिस्पर्धी खिंचाव और धक्के, सूक्ष्म क्वांटम उतार-चढ़ाव (quantum fluctuations) के साथ मिलकर, एक चिकने, समान तरल को अलग-अलग, खंडित बूंदों की एक श्रृंखला में तोड़ सकते हैं। विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर, उन्होंने मानचित्रित किया कि कैसे तरल इन अंतःक्रियाओं की शक्ति को बदलने पर अपना आकार और व्यवहार बदलता है।

अध्ययन की शुरुआत इस चुंबकीय क्वांटम तरल की एक लंबी, संकरी ट्यूब का मॉडल बनाकर हुई। इस वातावरण में, परमाणुओं को किनारों से इतनी मजबूती से दबाया जाता है कि वे केवल ट्यूब की लंबाई के अनुदिश आगे और पीछे स्वतंत्र रूप से चल सकते हैं। शोधकर्ताओं ने अपने मॉडल में तीन मुख्य प्रकार की अंतःक्रियाओं को शामिल किया। पहला, परमाणुओं के बीच मानक आकर्षण था जो उन्हें एक साथ गुच्छे बनाने की कोशिश करता है। दूसरा, उन्होंने एक प्रतिकर्षण बल (repulsive force) को शामिल किया जो क्वांटम उतार-चढ़ाव से उत्पन्न होता है, जो एक सुरक्षा जाल की तरह कार्य करता है ताकि तरल पूरी तरह से ढह न जाए। तीसरा, उन्होंने परमाणुओं के बीच लंबी दूरी के चुंबकीय प्रतिकर्षण को ध्यान में रखा। चुंबकीय प्रतिकर्षण की शक्ति को स्थिर रखते हुए अन्य बलों को अपरिवर्तित रखकर, टीम ने देखा कि तरल के साथ क्या हुआ।

उन्होंने पाया कि जब चुंबकीय प्रतिकर्षण कमजोर था, तो तरल एक एकल, चिकने ढेर के रूप में बना रहा। हालाँकि, जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकीय धक्के को धीरे-धीरे बढ़ाया, तरल ने अपना समान आकार खोना शुरू कर दिया। एक विशिष्ट सीमा पर, चिकना ढेर अलग-अलग चोटियों की एक श्रृंखला में टूटने लगा, जो मोतियों की माला जैसा दिखता है। यह प्रक्रिया, जिसे विखंडन (fragmentation) कहा जाता है, यादृच्छिक रूप से नहीं हुई। शोधकर्ताओं ने देखा कि तरल ने पहले अपनी आंतरिक कंपनों में एक विशिष्ट अस्थिरता विकसित की, जिसे उन्होंने "रोटन मोड" (roton mode) के रूप में पहचाना। आप इसे तरल में एक लहर की तरह समझ सकते हैं जो अचानक धीमी हो जाती है और रुक जाती है, जिससे सामग्री मुड़ने और खुद में सिमटने लगती है। एक बार जब यह कंपन एक महत्वपूर्ण बिंदु पर पहुँच गया, तो तरल ने स्वतः ही बूंदों के एक आवधिक पैटर्न में खुद को व्यवस्थित कर लिया।

महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने पाया कि विखंडन होने के लिए क्वांटम उतार-चढ़ाव बल की उपस्थिति अनिवार्य है। यदि वे अपनी गणनाओं से इस प्रतिकर्षण सुरक्षा जाल को हटा देते, तो तरल उस खंडित संरचना को प्रदर्शित नहीं करता जो देखा गया था। इसने पुष्टि की कि आकर्षक बलों, चुंबकीय प्रतिकर्षण और क्वांटम उतार-चढ़ाव के बीच का परस्पर खेल ही वह मुख्य तंत्र है जो तरल को टूटने के लिए प्रेरित करता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि जैसे-जैसे चुंबकीय प्रतिकर्षण बढ़ने के कारण तरल खंडित हुआ, सुपरफ्लुइड अंश (superfluid fraction) लगभग 28% कम हो गया। अंश में यह गिरावट यह सुझाव देती है कि परमाणु अपनी जगह पर स्थिर हो रहे थे, जो बूंदों की नई क्रिस्टलीय व्यवस्था में लॉक हो गए थे, जो कि सुपरसॉलिड अवस्था की एक पहचान है।

टीम ने फिर यह पता लगाने की कोशिश की कि क्या होगा यदि वे परमाणुओं को एक साथ खींचने वाले आकर्षक बल की शक्ति को बदलते हैं, बजाय चुंबकीय प्रतिकर्षण के। इस परिदृश्य में, उन्होंने पाया कि तरल फ्लैट-टॉप बूंदें बना सकता है, जो केंद्र में स्थिर और समान होती हैं। हालाँकि, यदि आकर्षण बहुत अधिक हो जाता, तो ये फ्लैट बूंदें भी अस्थिर हो जातीं और टूट जातीं। इस बार, यह टूटना 'मॉड्यूलेशनल इंस्टेबिलिटी' (modulational instability) नामक एक अलग तंत्र द्वारा संचालित था। इस प्रक्रिया में, तरल में छोटी लहरें बड़ी और बड़ी होती जाती हैं जब तक कि एकल बूंद कई छोटी बूंदों में विभाजित न हो जाए। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे-जैसे बूंदें खंडित हुईं, सिस्टम में क्वांटम "शोर" या रिक्तीकरण (depletion) बढ़ गया, जिसका अर्थ है कि कम परमाणु पूर्ण, सिंक्रोनाइज्ड अवस्था में बचे। इस विशिष्ट मामले में, हालांकि, सुपरफ्लuid अंश एकता के करीब अपेक्षाकृत स्थिर रहा, जो यह दर्शाता है कि कंडेंसेट अंश गिरने के बावजूद परमाणुओं ने बिना प्रतिरोध के बहने की अपनी क्षमता बनाए रखी।

अंत में, शोधकर्ताओं ने जांच की कि तरल में परमाणुओं की संख्या ने इन परिणामों को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि परमाणुओं की संख्या बढ़ाने से वास्तव में तरल को एक स्थानीयकृत आकार से फ्लैट-टॉप प्रोफाइल और अंततः खंडित बूंदों में संक्रमण करने के लिए प्रेरित किया। यह प्रभाव तब भी देखा गया जब चुंबकीय प्रतिकर्षण मौजूद नहीं था, हालांकि अस्थिरता का विशिष्ट विवरण प्रत्येक मामले में थोड़ा बदल गया। चुंबकीय प्रतिकर्षण की उपस्थिति में, अधिक परमाणु जोड़ने से अस्थिरता की वृद्धि दर कम हो गई, फिर भी जैसे-जैसे सिस्टम विकसित हुआ, विखंडन उभर कर आया। हर परिदृश्य में, सुपरफ्लuid अंश अपेक्षाकृत उच्च बना रहा, जो यह दर्शाता है कि भले ही तरल टुकड़ों में टूट गया हो, उन टुकड़ों के भीतर के परमाणु एक-दूसरे के साथ एक मजबूत संबंध बनाए रखते हैं। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि इन क्वांटम तरल पदार्थों का विखंडन एक मजबूत घटना है जो विभिन्न बलों के बीच प्रतिस्पर्धा से प्रेरित है, और इस संतुलन को समझना एक बहते हुए तरल और एक कठोर, सुपरसॉलिड क्रिस्टल के बीच संक्रमण को नियंत्रित करने के लिए आवश्यक है। ये निष्कर्ष उन प्रयोगात्मक विशेषज्ञों के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करते हैं जो प्रयोगशाला में इन विलक्षण अवस्थाओं की वस्तुओं को बनाने और हेरफेर करने का प्रयास कर रहे हैं।