Measuring the spin of a spin-1/2 and getting a result of 7

लगभग एक सदी से, भौतिक विज्ञानी क्वांटम दुनिया के एक विचित्र नियम से जूझ रहे हैं: किसी चीज़ को मापने की क्रिया अनिवार्य रूप से उसे बदल देती है। मानक दृष्टिकोण में, यह जानने के लिए कि कोई कण कहाँ है या उसका स्पिन (घूर्णन) कैसा है, हमें उसके साथ इतनी मजबूती से अंतःक्रिया करनी पड़ती है कि एक निश्चित उत्तर प्राप्त हो सके। यह अंतःक्रिया आमतौर पर कण को झटका देती है, जिससे उसकी अवस्था अस्त-व्यस्त हो जाती है और यह जानना असंभव हो जाता है कि माप से पहले वह क्या कर रहा था। हालाँकि, 1980 के दशक के अंत में एक अलग दृष्टिकोण उभरा, जिसने सुझाव दिया कि यदि माप बहुत ही कोमलता से किया जाए—इतनी कोमलता से कि वह सिस्टम को बहुत कम बाधित करे—और फिर सिस्टम की अंतिम अवस्था की एक बहुत ही विशिष्ट, दुर्लभ जाँच की जाए, तो कुछ अजीब हो सकता है। इन कोमल मापों के औसत परिणाम को इस हद तक बढ़ाया जा सकता है जो असंभव प्रतीत होता है, जिससे एक ऐसा अंक प्राप्त होता है जो उन मानों की सीमा से कहीं बाहर होता है जिन्हें मापी जा रही संपत्ति कभी भी सामान्य रूप से ले सकती है। 'वीक वैल्यू एम्प्लीफिकेशन' (कमजोर मान प्रवर्धन) के रूप में ज्ञात यह घटना, सिस्टम की प्रारंभिक अवस्था और एक ऐसी अंतिम अवस्था के बीच एक नाजुक हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) पर निर्भर करती है जो प्रारंभिक अवस्था के लगभग, लेकिन पूरी तरह से, असंगत होने के करीब है। हालांकि इस प्रभाव को प्रकाश के साथ कई बार देखा गया है, जहाँ तरंगें आसानी से ओवरलैप होती हैं और हस्तक्षेप करती हैं, लेकिन पदार्थ के साथ यह मायावी रहा है, क्योंकि परमाणुओं को लंबी दूरी तक सुसंगत, तरंग जैसी अवस्था में बनाए रखना बहुत कठिन होता है।

टोरंटो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने अब परमाणुओं का उपयोग करके इस कठिन प्रयोग को सफलतापूर्वक संपन्न कर लिया है, जिससे उस प्रस्ताव का वास्तविक रूप दिया गया है जिसे दशकों पहले सुझाया गया था। उन्होंने रुबिडियम परमाणुओं के एक बादल के साथ काम किया जिसे इतने कम तापमान तक ठंडा किया गया था कि वे एक एकल क्वांटम वस्तु बन गए जिसे बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट कहा जाता है। इस अवस्था में, परमाणु व्यक्तिगत कणों के बजाय एक एकल विशाल तरंग की तरह व्यवहार करते हैं। शोधकर्ताओं ने इन परमाणुओं के "स्पिन" को मापने का लक्ष्य रखा, जो एक गुण है जो उनके आंतरिक चुंबकीय अभिविन्यास का वर्णन करता है। एक सामान्य प्रयोग में, स्पिन को मापने में एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र शामिल होगा जो एक दिशा वाले स्पिन वाले परमाणुओं को एक तरफ और विपरीत दिशा वाले परमाणुओं को दूसरी तरफ धकेलेगा, जिससे दो अलग-अलग, पृथक समूह बन जाएंगे। हालाँकि, शोधकर्ता एक "वीक" (कोमल) माप करना चाहते थे। उन्होंने एक चुंबकीय प्रवणता (ग्रेडिएंट) लागू किया जो इतना कोमल था कि दोनों स्पिन समूह अलग-अलग स्थानों में विभाजित नहीं हुए; इसके बजाय, उनके तरंग-जैसे पथ एक-दूसरे के ऊपर ओवरलैप हुए और आपस में हस्तक्षेप करने लगे।

प्रवर्धन प्रभाव को देखने के लिए, टीम को एक अंतिम कदम उठाना पड़ा जो प्रति-सहज (counterintuitive) प्रतीत हुआ। कोमल धक्के के बाद, उन्होंने केवल उन परमाणुओं को चुना जो एक विशिष्ट अंतिम अवस्था में समाप्त हुए जो उनके शुरुआती स्वरूप के लगभग, लेकिन पूरी तरह से, विपरीत थे। क्योंकि यह अंतिम अवस्था इतनी दुर्लभ थी कि इसके घटित होने की संभावना बहुत कम थी, इसलिए प्रारंभिक और अंतिम स्थितियों के बीच का ओवरलैप बहुत सूक्ष्म था। 'वीक वैल्यू' के सिद्धांत के अनुसार, यह सूक्ष्म ओवरलैप एक हर (denominator) के रूप में कार्य करता है जो मापे गए प्रभाव को विशाल बना सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस दुर्लभ चयन को करने से, चुंबकीय क्षेत्र से परमाणुओं को मिला सूक्ष्म संवेग का झटका चौदह गुना बढ़ गया। इस चयन प्रक्रिया से जीवित बचे परमाणु लगभग 8 माइक्रोमीटर प्रति सेकंड के प्रभावी वेग परिवर्तन के साथ चले, जो एक अत्यंत सूक्ष्म गति है जिसे सीधे पता लगाना बहुत कठिन है। फिर भी, इस प्रवर्धन के माध्यम से, माप ऐसा दिखा जैसे स्पिन का मान 7 रहा हो, जबकि एक अकेले परमाणु का स्पिन केवल प्लस या माइनस एक-हाफ ही हो सकता है।

इस प्रयोग ने प्रदर्शित किया कि यह प्रवर्धन केवल एक गणितीय युक्ति नहीं है बल्कि एक वास्तविक भौतिक प्रभाव है जो प्रारंभिक माप की "कमजोरी" (weakness) पर निर्भर करता है। जब शोधकर्ताओं ने चुंबकीय धक्के की शक्ति बढ़ाई, जिससे माप कम 'वीक' हो गया, तो प्रवर्धन प्रभाव कम हो गया, और परिणाम सामान्य सीमा में लौट आए। इसने पुष्टि की कि अजीब, बड़े अंक कोमल अंतःक्रिया और दुर्लभ अंतिम चयन के बीच के नाजुक संतुलन का सीधा परिणाम थे। टीम ने यह भी नोट किया कि प्रभाव तब सबसे अधिक स्पष्ट था जब परमाणु एक ऐसी अवस्था में थे जो उन्हें स्पष्ट रूप से हस्तक्षेप करने की अनुमति देती थी, जो प्रकाश की तुलना में पदार्थ के साथ प्राप्त करना बहुत कठिन है। परमाणुओं के एक बादल का उपयोग करके जिसे सावधानीपूर्वक तैयार और ठंडा किया गया था, वे आवश्यक सुसंगतता (coherence) को बनाए रखने में सक्षम रहे।

यह कार्य पहली बार है जब एक वास्तविक निरंतर प्रोब (continuous probe) के साथ कण के स्पिन का उपयोग करके ऐसे विसंगत 'वीक वैल्यू' को मापा गया है, और यह परमाणुओं का उपयोग करके इस प्रभाव का पहला अवलोकन है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि पदार्थ तरंगों (matter waves) की चुनौतियों के बावजूद, जो बहुत कम दूरी पर अपनी सुसंगतता खो देती हैं, इन प्रवर्धित संकेतों को देखना संभव है। एक सूक्ष्म संवेग के झटके को इतनी बड़ी मात्रा में बढ़ाने की क्षमता अत्यंत सूक्ष्म बलों या चुंबकीय क्षेत्रों को मापने के नए तरीके खोलती है। हालांकि वर्तमान प्रयोग के लिए एक सावधानीपूर्ण फ़िल्टरिंग की आवश्यकता थी जिसने उन दुर्लभ परमाणुओं को खोजने के लिए अधिकांश परमाणुओं को त्याग दिया जो प्रभाव दिखाते थे, इसकी सफलता यह सिद्ध करती है कि यह तकनीक व्यवहार्य है। भविष्य का कार्य इन विधियों को परिष्कृत कर सकता है ताकि उन्हें सेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए अधिक व्यावहारिक बनाया जा सके, जिससे संभावित रूप से वैज्ञानिकों को उन सूक्ष्म चुंबकीय संकेतों का पता लगाने की अनुमति मिल सके जो वर्तमान में शोर (noise) के पीछे छिपे हुए हैं। यह अध्ययन इस बात का ठोस प्रमाण है कि क्वांटम यांत्रिकी के अजीब अनुमान, जो कभी केवल प्रकाश तक सीमित माने जाते थे, उन्हें परमाणुओं की वास्तविक दुनिया में जीवंत किया जा सकता है।