Feedback cooling of a levitated nanoparticle in a radially polarized vector beam trap

आधुनिक भौतिकी के शांत कोनों में, वैज्ञानिक कुछ ऐसा करने की कोशिश कर रहे हैं जो लगभग असंभव लगता है: वे धूल के एक सूक्ष्म कण को तब तक जमाने (फ्रीज करने) की कोशिश कर रहे हैं जब तक कि वह पूरी तरह से हिलना बंद न कर दे। यह कण केवल स्थिर नहीं बैठा है; यह हवा में तैर रहा है, जिसे प्रकाश की एक किरण द्वारा थामे रखा गया है, और लक्ष्य इसकी गति को प्रकृति के नियमों द्वारा अनुमत निम्नतम ऊर्जा अवस्था तक ठंडा करना है। यह समझने के लिए कि यह क्यों महत्वपूर्ण है, सबसे पहले यह समझना आवश्यक है कि भले ही कोई वस्तु पूरी तरह से स्थिर दिखाई दे, उसके परमाणु ऊष्मा के कारण थरथराते रहते हैं। यदि आप उस थरथराहट को रोक सकें, तो आप एक ऐसी स्थिति तक पहुँच जाएंगे जहाँ वस्तु एक ठोस चट्टान की तरह व्यवहार करने के बजाय एक तरंग (वेव) की तरह व्यवहार करेगी, जो क्वांटम मैकेनिक्स के अजीब और धुंधले नियमों को प्रकट करती है। यह क्वांटम भौतिकी की अग्रिम सीमा है, जहाँ शोधकर्ता वास्तविकता की सीमाओं का परीक्षण करने की आशा करते हैं, शायद यह भी कि गुरुत्वाकर्षण सूक्ष्म स्तर पर कैसे काम करता है। वहाँ पहुँचने के लिए, उन्हें इन सूक्ष्म वस्तुओं को बिना छुए फँसाना होगा और फिर हर बिट थर्मल ऊर्जा को हटाना होगा, एक ऐसा कार्य जो कठिन है क्योंकि जिस प्रकाश का उपयोग उन्हें थामने के लिए किया जाता है, वह उन्हें गर्म भी कर देता है।

यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशेष प्रकार की प्रकाश किरण का उपयोग करके एक सिलिका नैनोपार्टिकल (एक कांच का गोला जिसकी त्रिज्या केवल 78 नैनोमीटर है) को फँसाकर इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। इन प्रयोगों के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले मानक, एकसमान प्रकाश बीम के बजाय, उन्होंने एक "रेडियल वेक्टर बीम" का उपयोग किया। एक ऐसी प्रकाश किरण की कल्पना करें जहाँ विद्युत क्षेत्र की दिशा सभी दिशाओं में केंद्र से बाहर की ओर होती है, जैसे कि पहिये की तीलियाँ या सूर्य की किरणों का प्रसार। जब इस विशिष्ट बीम को एक उच्च-गुणवत्ता वाले लेंस द्वारा कसकर केंद्रित किया जाता है, तो यह एक पारंपरिक बीम की तुलना में छोटा और अधिक सटीक फोकल स्पॉट बनाता है। यह अधिक सघन फोकस एक गहरा "पोटेंशियल वेल" (संभावित कुआँ) बनाता है, जो वह अदृश्य प्रकाश का कटोरा है जो कण को उसकी जगह पर थामे रखता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह अधिक सटीक कटोरा उन्हें कण को अधिक सुरक्षित रूप से थामने में सक्षम बनाता है और संभावित रूप से उस ऊष्मा को कम करता है जो प्रकाश कणों के वस्तु से टकराने पर उत्पन्न होती है, जिसे 'रिकोइल हीटिंग' के रूप में जाना जाता है।

यह प्रयोग एक उच्च-निर्वात कक्ष (हाई-वैक्यूम चैंबर) में आयोजित किया गया था, जहाँ वायु दाब को उस स्तर तक कम कर दिया गया था जहाँ लगभग कोई गैस अणु शेष नहीं रहता, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि कण को इधर-उधर न फेंका जाए। शोधकर्ताओं ने एक एकल सिलिका नैनोपार्टिकल को इस ट्रैप में लोड किया और फिर इसे ठंडा करने की प्रक्रिया शुरू की। उन्होंने "फीडबैक कूलिंग" नामक तकनीक का उपयोग किया, जो एक उच्च-गति वाले ब्रेक सिस्टम की तरह काम करती है। सेंसरों ने लगातार ट्रैप में कण की स्थिति की निगरानी की। एक कंप्यूटर सिस्टम ने गणना की कि कण कितनी तेजी से चल रहा था और वास्तविक समय में, उसे धीमा करने के लिए विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके एक विपरीत बल लगाया। यह प्रक्रिया, जिसे "कोल्ड डैम्पिंग" कहा जाता है, प्रभावी रूप से कण की गति से ऊर्जा को निकाल देती है, ठीक वैसे ही जैसे एक हाथ घूमते हुए पहिये को रोकने के लिए उस पर दबाव डालता है।

परिणामों ने दिखाया कि यह विधि उल्लेखनीय रूप से सफल रही। शोधकर्ता नैनोपार्टिकल की गति को मिलीकेल्विन रेंज के तापमान तक ठंडा करने में सक्षम थे, जो परम शून्य (एब्सोल्यूट जीरो) से केवल कुछ हजारवें अंश ऊपर है। विशेष रूप से, उन्होंने एक दिशा में कण की गति का तापमान लगभग 32 मिलीकेल्विन और दूसरी दिशा में लगभग 73 मिलीकेल्विन मापा। ये तापमान अविश्वसनीय रूप से कम हैं, जो कण को इस प्रकार के सेटअप में पहले से कहीं अधिक इसके क्वांटम ग्राउंड स्टेट के करीब ले आते हैं। हालाँकि, प्रयोग ने कुछ अप्रत्याशित व्यवहार भी प्रकट किया। जबकि कण की मुख्य गतियों को सफलतापूर्वक ठंडा कर दिया गया था, शोधकर्ताओं ने कुछ छोटी, माध्यमिक कंपनों (वाइब्रेशन) को देखा जो पूरी तरह से दब नहीं पाई थीं। ये अतिरिक्त कंपन प्रकाश ट्रैप के जटिल, गैर-रैखिक आकार के कारण थे। क्योंकि ट्रैप एक पूर्ण, चिकना कटोरा नहीं है, यह अतिरिक्त, छोटे बल के पॉकेट बनाता है जो कण को अधिक जटिल तरीकों से कंपन करने के लिए प्रेरित करते हैं। टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से पुष्टि की कि ये अतिरिक्त कंपन रेडियल वेक्टर बीम के अद्वितीय आकार का एक स्वाभाविक परिणाम हैं।

अध्ययन में यह भी देखा गया कि क्या होता है जब फँसा हुआ कण एक पूर्ण गोला नहीं होता है। यदि कण थोड़ा अंडाकार या अनियमित है, तो वह प्रकाश के ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) की दिशा के साथ संरेखित होने की प्रवृत्ति रखता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि ये गैर-गोलाकार कण अपने अक्ष के चारों ओर घूमते या "लिब्रेट" (लहराते) हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक घूमता हुआ लट्टू धीमा होने पर डगमगाता है। उन्होंने पाया कि ये अजीब आकार के कण पूर्ण गोलों की तुलना में ट्रैप में कम स्थिर थे, और अक्सर उच्च दबाव पर ट्रैप से बाहर निकल जाते थे। यह अवलोकन भविष्य के प्रयोगों के लिए एक व्यावहारिक चुनौती को रेखांकित करता है: सबसे ठंडे संभव तापमान प्राप्त करने के लिए, उपयोग किए जाने वाले कण यथासंभव एकसमान और गोलाकार होने चाहिए।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि संरचित प्रकाश, विशेष रूप से रेडियल वेक्टर बीम का उपयोग करना, भविष्य के क्वांटम प्रयोगों के लिए एक व्यवहार्य और आशाजनक मार्ग है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि मानक प्रकाश ट्रैप के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीकों को इन अधिक जटिल बीमों के अनुकूल बनाया जा सकता है ताकि गति का प्रभावी ढंग से पता लगाया जा सके और उसे ठंडा किया जा सके। हालांकि वर्तमान प्रयोग पूर्ण क्वांटम ग्राउंड स्टेट तक नहीं पहुँचा, लेकिन इसने सिद्ध किया कि इन बीम्स के अद्वितीय गुण अधिक सघन ट्रैप बना सकते हैं जिनमें कम हीटिंग होती है, जो अगली पीढ़ी के क्वांटम सेंसरों के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है। अतिरिक्त कंपनों की उपस्थिति यह सुझाव देती है कि यद्यपि ट्रैप शक्तिशाली है, लेकिन यह जटिल भी है, और भविष्य के कार्यों को इन प्रभावों को पूरी तरह से नियंत्रित करने के लिए सभी दिशाओं की गति को एक साथ ठंडा करने पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता होगी। यह कोई अंतिम समाधान नहीं है, बल्कि इस बात का एक स्पष्ट प्रदर्शन है कि उपकरण मौजूद हैं जो हमें यह धकेलने की सीमा तय करने में मदद करेंगे कि हम सूक्ष्म दुनिया को कितना ठंडा और कितना स्थिर बना सकते हैं।