Multimode radiation pressure actuation of a mechanical resonator using a spatial mode sorter

ऑप्टिकल भौतिकी की शांत दुनिया में, प्रकाश को अक्सर एक संदेशवाहक के रूप में माना जाता है जो उन वस्तुओं के बारे में जानकारी लाता है जिन्हें वह छूता है। जब प्रकाश की एक किरण किसी कंपन करती वस्तु से टकराती है, तो बिखरा हुआ प्रकाश इस तरह बदल जाता है जो वस्तु की गति को प्रकट करता है, यह एक ऐसा सिद्धांत है जिसका उपयोग चिकित्सा इमेजिंग से लेकर दूर स्थित ग्रहों का पता लगाने तक सब कुछ में किया जाता है। हालाँकि, यह परस्पर क्रिया दोनों दिशाओं में काम करती है। जिस तरह गति प्रकाश को बदल देती है, उसी तरह प्रकाश वस्तु पर एक सूक्ष्म भौतिक धक्का लगाता है, जिसे विकिरण दबाव (रेडिएशन प्रेशर) के रूप में जाना जाता है। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से यह मापने में सक्षम रहे हैं कि गति प्रकाश को कैसे बदलती है, प्रकाश का उपयोग करके बड़ी, विस्तृत वस्तुओं की गति को सटीक रूप से धकेलना और नियंत्रित करना एक कठिन चुनौती बना हुआ है। यह बल अविश्वसनीय रूप से कमजोर है, और जटिल वस्तुओं के लिए, पूरी सतह को प्रभावित किए बिना उस धक्के को सतह के विशिष्ट हिस्सों की ओर निर्देशित करना कठिन होता है।

एरिजोना विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक दल ने अब इस सूक्ष्म बल का उपयोग करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने सिलिकॉन नाइट्राइड से बनी एक छोटी, वर्गाकार झिल्ली (मेम्ब्रेन) के कंपन को धकेलने और नियंत्रित करने के लिए प्रकाश की एक विशेष रूप से आकार वाली किरण का सफलतापूर्वक उपयोग किया। प्रकाश को एक जटिल पैटर्न में आकार देकर और फिर उस पैटर्न को तेजी से बदलकर, वे झिल्ली में विशिष्ट कंपनों को उत्तेजित करने और यहाँ तक कि उसकी गति को ठंडा करने में भी सक्षम रहे। यह कार्य यांत्रिक गति को मापने और उसे सक्रिय रूप रूप से नियंत्रित करने के बीच के अंतर को पाटता है, जो उन्नत तकनीकों की ओर मार्ग प्रशस्त करता है जो प्रकाश और पदार्थ के बीच के नाजुक नृत्य पर निर्भर करती हैं।

प्रयोग एक सूक्ष्म झिल्ली पर केंद्रित था, जो सिलिकॉन नाइट्राइड की एक वर्गाकार शीट थी जो प्रत्येक तरफ 2.5 मिलीमीटर और केवल 90 नैनोमीटर मोटी थी। नग्न आंखों के लिए, यह शीट ठोस दिखती है, लेकिन सूक्ष्मदर्शी के नीचे, यह एक ड्रम के मुख (ड्रमहेड) की तरह व्यवहार करती है जो कई अलग-अलग पैटर्न में कंपन कर सकती है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या वे इस ड्रमहेड को विशिष्ट कंपनों में धकेलने के लिए प्रकाश का उपयोग कर सकते हैं। इसके लिए, उन्होंने एक डिवाइस का उपयोग किया जिसे स्थानिक मोड डिमल्टीप्लेक्सर (स्पेशियल मोड डिमल्टीप्लेक्सर) कहा जाता है, जो एक लेजर बीम को विभिन्न स्थानिक आकारों या पैटर्न में विभाजित कर सकता है। उन्होंने प्रकाश के विशिष्ट पैटर्न के सेट के साथ काम करना चुना जिसे हर्मिट-गॉस मोड (Hermite-Gauss modes) के रूप में जाना जाता है, जो चमकीले और गहरे धब्बों के ग्रिड की तरह दिखते हैं।

इस खोज का मूल तत्व यह है कि ये प्रकाश पैटर्न झिल्ली के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने झिल्ली पर प्रकाश के एक एकल, सरल बिंदु को चमकाया, तो परिणामी धक्का उस बिंदु पर समान था। हालाँकि, जब उन्होंने दो अलग-अलग प्रकाश पैटर्न को मिलाया और उनके बीच के चरण (फेज) को बदला, तो उन्होंने एक चलते हुए हस्तक्षेप पैटर्न (इंटरफेरेंस पैटर्न) का निर्माण किया। कल्पना कीजिए कि एक तालाब में दो लहरें आपस में मिल रही हैं; जहाँ वे मिलती हैं, वहाँ वे एक नया, बदलता हुआ पैटर्न बनाती हैं। शोधकर्ताओं ने प्रकाश के साथ भी ऐसा ही किया। दो प्रकाश मोड के बीच सापेक्ष चरण को संशोधित करके, उन्होंने एक विकिरण दबाव पैटर्न बनाया जो झिल्ली पर आगे-पीछे चलता रहा।

यह चलता हुआ दबाव एक झूले को धक्का देने वाले हाथ की तरह कार्य कर रहा था। यदि प्रकाश का पैटर्न सही गति से चलता था, तो वह झिल्ली को एक विशिष्ट कंपन में धकेल सकता था। टीम ने एक बुनियादी प्रकाश बिंदु को अधिक जटिल आकारों के साथ मिलाकर इसका परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि परिणामी बल पूरी तरह से इस बात पर निर्भर करता था कि प्रकाश झिल्ली पर कहाँ टकराता है। उदाहरण के लिए, दो विशिष्ट प्रकाश मोड को मिलाने से एक दबाव पैटर्न बना जिसने झिल्ली को बगल में धकेला, जबकि दूसरे संयोजन ने इसे ऊपर और नीचे धकेला। इन प्रकाश पैटर्न को झिल्ली की सतह पर स्कैन करके, वे सटीक रूप से मानचित्रित करने में सक्षम थे कि झिल्ली ने प्रतिक्रिया कैसे दी। परिणाम एक विस्तृत चित्र था जो दर्शाता था कि प्रकाश चुकता हुआ (चेकरबोर्ड) या आकृति-आठ (फिगर-एट) जैसे विभिन्न कंपन मोड को चुनिंदा रूप से उत्तेजित कर सकता है, जो उपयोग किए गए प्रकाश के आकार पर निर्भर करता है।

अध्ययन की सबसे महत्वपूर्ण उपलब्धि इस नियंत्रण का उपयोग झिल्ली की गति को ठंडा करने के लिए करना था। कमरे के तापमान पर सभी वस्तुएं ऊष्मा के कारण कंपन करती हैं, और ये सूक्ष्म कंपन शोर का एक स्रोत हैं जो संवेदनशील मापों में हस्तक्षेप कर सकते हैं। शोधकर्ता इस थर्मल शोर को रोकना चाहते थे। उन्होंने एक फीडबैक लूप स्थापित किया जहाँ उन्होंने झिल्ली की गति को मापा और फिर तुरंत प्रकाश के चरण को समायोजित किया ताकि उस गति के विरुद्ध धक्का दिया जा सके, जो प्रभावी रूप से एक ब्रेक की तरह कार्य करता है। क्योंकि वे विशिष्ट कंपन पैटर्न को लक्षित करने के लिए प्रकाश को आकार देने में सक्षम थे, इसलिए वे एक ही समय में दो अलग-अलग, लगभग समान कंपनों को ठंडा करने में सक्षम रहे। ये दो कंपन, जो 263 kHz के पास की आवृत्तियों पर होते हैं, इतने करीब के पिच वाले होते हैं कि वे आमतौर पर एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं, जिससे उन्हें व्यक्तिगत रूप से नियंत्रित करना कठिन हो जाता है। इन मोडों के बीच का डिट्यूनिंग (detuning) लगभग 30 Hz है।

दो अलग-अलग प्रकाश मोड के जोड़ों का उपयोग करके, टीम दो कंपनों के बीच अंतर करने में सक्षम थी। प्रकाश मोड का एक जोड़ा पहले कंपन के प्रति संवेदनशील था, जबकि दूसरा जोड़ा दूसरे के प्रति संवेदनशील था। उन्होंने प्रत्येक जोड़े पर एक फीडबैक सिग्नल लागू किया, जिससे प्रत्येक कंपन की गति धीमी हो गई। डेटा ने दिखाया कि वे इन कंपनों की ऊर्जा को लगभग 10 डेसिबल कम कर सकते हैं, जो थर्मल शोर में एक महत्वपूर्ण कमी है। दो अलग-अलग मोडों का यह एक साथ शीतलन (कूलिंग) ऑप्टोमैकेनिक्स के क्षेत्र में एक कठिन कार्य है, और एक ही बीम के दो तरीकों से आकार दिए जाने के साथ इसे प्राप्त करना सटीकता के एक नए स्तर को प्रदर्शित करता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक झिल्ली को ठंडा करने तक सीमित नहीं हैं। संरचित प्रकाश का उपयोग करके किसी वस्तु के विशिष्ट हिस्सों को धकेलने और खींचने की क्षमता यांत्रिक प्रणालियों को हेरफेर करने के नए तरीके सुझाती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस तकनीक को अन्य यांत्रिक प्रणालियों पर लागू किया जा सकता है, जिनमें वे भी शामिल हैं जो हवा में तैरते (लेविटेटेड) हैं। यदि समान सिद्धांतों को बड़े पैमाने पर लागू किया जा सकता है, तो कई वस्तुओं को उनकी न्यूनतम संभव ऊर्जा अवस्था तक ठंडा करना संभव हो सकता है, जिसे ग्राउंड स्टेट (ground state) कहा जाता है, जो क्वांटम कंप्यूटिंग और अति-संवेदनशील बल पहचान के लिए आवश्यक है। अध्ययन यह संकेत भी देता है कि कॉर्कस्क्रू की तरह घूमने वाले प्रकाश के विभिन्न आकारों का उपयोग करके घूमने वाले बल बनाए जा सकते हैं जो यांत्रिक वस्तुओं को घुमा सकते हैं।

प्रयोग की सफलता सिलिकॉन नाइट्राइड झिल्ली की उच्च गुणवत्ता और प्रकाश-आकार देने वाले उपकरण की सटीकता पर टिकी थी। झिल्ली को उच्च-निर्वात कक्ष (high-vacuum chamber) में रखा गया था ताकि हवा के प्रतिरोध को हटाया जा सके, जिससे यह स्वतंत्र रूप से कंपन कर सके। प्रकाश का स्रोत 1550 नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य वाला एक लेजर था, और झिल्ली को गर्म होने से बचाने के लिए प्रकाश की तीव्रता को कम रखा गया था। शोधकर्ताओं ने झिल्ली के माध्यम से प्रकाश बीम को चलाने के लिए एक मोटर चालित स्टेज का उपयोग किया, जिससे विकिरण दबाव प्रतिक्रिया का मानचित्र तैयार किया गया। इस मानचित्र ने पुष्टि की कि प्रकाश द्वारा लगाया गया बल झिल्ली पर प्रकाश के आकार और स्थिति से सीधे संबंधित था।

यह कार्य क्वांटम ऑप्टोमैकेनिक्स के क्षेत्र में एक कदम है, जहाँ लक्ष्य प्रकाश के क्वांटम गुणों का उपयोग करके यांत्रिक गति को नियंत्रित करना है। यह प्रदर्शित करके कि विकिरण दबाव का उपयोग यांत्रिक अनुनादक (mechanical resonator) के विशिष्ट मोड को चुनिंदा रूप से संचालित करने और ठंडा करने के लिए किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने वैज्ञानिकों को एक नया उपकरण प्रदान किया है। कई मोड को एक साथ नियंत्रित करने की क्षमता जटिल क्वांटम अवस्थाओं को तैयार करने के लिए एक आवश्यक आवश्यकता है, जो उन्नत प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक हैं। जबकि वर्तमान प्रयोग एक अपेक्षाकृत बड़ी झिल्ली पर किया गया था, यहाँ प्रदर्शित सिद्धांत छोटे, अधिक जटिल सिस्टम पर भी लागू होते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि प्रकाश-आकार देने वाली तकनीक के भविष्य के विकास और भी सटीक नियंत्रण की अनुमति दे सकते हैं, जिससे बल सूक्ष्मदर्शी (force microscopy) और सूक्ष्म कणों के हेरफेर में नए अनुप्रयोगों की संभावना बढ़ सकती है।

अध्ययन को नेशनल साइंस फाउंडेशन और ऑफिस ऑफ नेवल रिसर्च द्वारा समर्थन दिया गया था, जो इस अनुसंधान के भविष्य की तकनीकी प्रगति के महत्व को रेखांकित करता है। टीम ने झिल्ली के निर्माण और इंजीनियरिंग सहायता प्रदान करने में अपने सहयोगियों के योगदान को स्वीकार किया। उनका कार्य इस बात का स्पष्ट प्रमाण है कि प्रकाश को सही तरीके से आकार देकर, भौतिक दुनिया को उस सटीकता के साथ धकेलना और खींचना संभव है जो पहले पहुंच से बाहर थी। जैसे-जैसे यह तकनीक परिपक्व होती है, यह वैज्ञानिकों के लिए एक मानक उपकरण बन सकती है जो प्रकाश और पदार्थ के मिलन बिंदु पर काम करते हैं, जिससे क्वांटम क्षेत्र में नई खोजों को सक्षम बनाया जा सके।