Proposal for matter-wave interferometry with a rare-earth-doped microparticle
यह शोध पत्र दुर्लभ-तत्व-डोप किए गए सूक्ष्म कणों (microparticles) का उपयोग करके एक नवीन पदार्थ-तरंग व्यतिकरण (matter-wave interferometry) योजना प्रस्तावित करता है जो प्रारंभिक स्थितियों के प्रति संवेदनशीलता को समाप्त करने के लिए समय-सममित ज्यामिति (time-symmetric geometry) और विशिष्ट आयन अवस्थाओं का लाभ उठाता है, साथ ही यह भी प्रदर्शित करता है कि बड़े द्रव्यमान के साथ डिकोहेरेंस (decoherence) को प्रबंधित किया जा सकता है, जिससे उच्च-परिशुद्धता क्वांटम सेंसिंग और गुरुत्वाकर्षण परीक्षण सक्षम होते हैं।
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द दशकों से, भौतिकविदों ने अत्यंत संवेदनशील मापने वाले उपकरण बनाने के लिए पदार्थ की तरंग-समान प्रकृति का उपयोग किया है। जिस तरह एक तालाब की लहरें एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर प्रकाश और अंधकार के पैटर्न बना सकती हैं, उसी तरह परमाणु जैसे कण ऐसी तरंगों की तरह व्यवहार कर सकते हैं जो एक-दूसरे के ऊपर आती हैं और एक-दूसरे को रद्द कर देती हैं। एक कण के पथ को विभाजित करके और फिर उसे पुन: संयोजित करके, वैज्ञानिक गुरुत्वाकर्षण, त्वरण या यहाँ तक कि भौतिकी के मौलिक नियमों में सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगा सकते हैं। हालाँकि, इन प्रयोगों में एक कण कितना भारी हो सकता है, इसके लिए एक हठधर्मी सीमा है। वस्तु जितनी भारी होगी, उसकी क्वांटम तरंग को अक्षुण्ण रखना उतना ही कठिन होगा। हवा के एक भटकते अणु या प्रकाश के एक भटकते फोटॉन का मामूली स्पर्श भी उस नाजुक हस्तक्षेप पैटर्न को नष्ट कर सकता है, जिससे क्वांटम तरंग वापस एक साधारण, सामान्य कण में बदल जाती है। इसने क्वांटम हस्तक्षेप की दुनिया को परमाणुओं और सूक्ष्म अणुओं के क्षेत्र तक सीमित कर दिया है, जिससे धूल और कंकड़ की स्थूल (मैक्रोस्कोपिक) दुनिया पहुंच से बाहर लग रही है।
जॉन्स हॉपकिन्स यूनिवर्सिटी के एक शोधकर्ता ने अब इस बाधा को तोड़ने का एक तरीका प्रस्तावित किया है। वे एक सूक्ष्म कण—एक ठोस पदार्थ का कण जिसे शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे देखा जा सके—का उपयोग करके एक मैटर-वेव इंटरफेरोमीटर बनाने का सुझाव देते हैं, न कि एक अकेले परमाणु का। उनके विचार का मूल तत्व इस सूक्ष्म ठोस गोले के भीतर एक एकल दुर्लभ-तत्व आयन (रेयर-अर्थ आयन), जो अद्वितीय चुंबकीय गुणों वाला एक विशिष्ट प्रकार का परमाणु है, को स्थापित करना है। पूरे भारी कण को लेजर से धकेलने के बजाय, जो कि अव्यवस्थित और अपर्याप्त होगा, वे केवल अंतर्निहित आयन को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करने की योजना बना रहे हैं। जब आयन प्रकाश को अवशोषित और पुन: उत्सर्जित करता है, तो उसे संवेग (मोमेंटम) की एक सूक्ष्म किक मिलती है। क्योंकि आयन उस ठोस गोले के भीतर लॉक है, वह किक संपूर्ण सूक्ष्म-कण को स्थानांतरित हो जाती है, जिससे पूरे पिंड को उसके आंतरिक क्वांटम अवस्था को बाधित किए बिना धकेला जाता है।
शोधकर्ता ने इस भारी कण के लिए बीम स्प्लिटर और दर्पण के रूप में कार्य करने के लिए प्रकाश स्पंदों (पल्स) का एक विशिष्ट क्रम डिजाइन किया। एक विशेष प्रकार के आयन का उपयोग करके, जिसमें एक विशिष्ट चुंबकीय संरचना होती है, उन्होंने पाया कि वे प्रयोग को वास्तविक दुनिया की अव्यवस्थाओं से सुरक्षित बना सकते हैं। आमतौर पर, यदि कोई कण घूम रहा है या यदि वह थोड़ी अलग स्थिति से शुरू होता है, तो हस्तक्षेप पैटर्न बिखर जाता है। यह नया डिज़ाइन, हालांकि, समय-सममित (टाइम-सिमेट्रिक) है, जिसका अर्थ है कि यह कण की प्रारंभिक गति और स्थिति के प्रभावों को रद्द कर देता है। इसके अलावा, चुने गए आयन के चुंबकीय गुण ऐसे हैं कि कण का घूर्णन माप में हस्तक्षेप नहीं करता है। इसका अर्थ है कि सूक्ष्म-कण को प्रयोग शुरू होने से पहले स्थिर करने या पूरी तरह से संरेखित करने की आवश्यकता नहीं है, जो कि बड़े पिंडों के साथ पिछले प्रयासों को लगभग असंभव बना देता था।
इस अवधारणा को व्यवहार्य सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ता ने गणना की कि सूक्ष्म-कण अपने परिवेश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेगा। उन्होंने हस्तक्षेप के सबसे सामान्य स्रोतों की जांच की, जैसे वैक्यूम चैंबर में गैस के अणुओं से टकराव और कण को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर से प्रकाश का प्रकीर्णन। आश्चर्यजनक रूप से, उनकी गणना दर्शाती है कि जैसे-जैसे कण बड़ा होता है, इन पर्यावरणीय कारकों के कारण क्वांटम अवस्था के नष्ट होने की दर वास्तव में घटती है या समान रहती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कण की तरंग की दो पथों के बीच की दूरी, उन कणों की तरंग दैर्ध्य के सापेक्ष इतनी कम हो जाती है कि वातावरण यह "देख" नहीं पाता कि कण ने कौन सा पथ लिया था। फलस्वरूप, सूक्ष्म-कण वैक्यूम में मिलीसेकंड तक अपनी क्वांटम सुसंगतता (कोहेरेंस) बनाए रख सकता है, भले ही वह वैक्यूम परमाणु इंटरफेरोमीटरों के लिए आवश्यक वैक्यूम जितना पूर्ण न हो।
प्रस्तावित प्रयोग में स्ट्रोंटियम सेलेनाइड नामक सामग्री से बना एक सूक्ष्म-कण शामिल है, जिसमें एक समैरियम आयन मिलाया गया है। शोधकर्ता का अनुमान है कि लगभग एक हजार फोटॉन प्रति पल्स देने में सक्षम लेजर सिस्टम के साथ, वे 10^-14 किलोग्राम तक के द्रव्यमान वाले कण के हस्तक्षेप को देख सकते हैं। यह द्रव्यमान एक एकल परमाणु की तुलना में लगभग एक अरब गुना भारी है। यदि सफल रहे, तो यह सेटअप न केवल एक स्थूल वस्तु के लिए क्वांटम हस्तक्षेप को प्रदर्शित करेगा बल्कि एक नए, अति-संवेदनशील सेंसर के रूप में भी कार्य करेगा। यह त्वरण और गुरुत्वाकर्षण को चार गुना अधिक सटीकता के साथ माप सकता है, जो वर्तमान सीमाओं में सुधार करता है, जिससे यह परीक्षण करने का द्वार खुलता है कि क्या गुरुत्वाकर्षण दो विशाल वस्तुओं को उलझा (एंटैंगल) सकता है और क्वांटम यांत्रिकी के उन सूक्ष्म विचलन की खोज की जा सकती है जो पहले कभी नहीं देखे गए।
आगे का मार्ग एक ऐसे उपकरण के निर्माण पर निर्भर करता है जो इस छोटे गोले को विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके वैक्यूम में फँसा सके और आंतरिक कंपनों को कम करने के लिए इसे क्रायोजेनिक तापमान तक ठंडा कर सके। जबकि तरंग को विभाजित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले ऑप्टिकल लेजर अंततः पथों को कितनी दूर तक अलग कर सकते है, इस पर सीमा लगाएंगे, शोधकर्ता का तर्क है कि यह पहला कदम महत्वपूर्ण है। यह एक ऐसा मंच स्थापित करता है जहाँ बड़े पिंडों के डिकोहेरेंस (सुसंगतता का ह्रास) का अध्ययन और नियंत्रण किया जा सकता है। यह सिद्ध करके कि एक सूक्ष्म-कण को क्वांटम सुपरपोजिशन में रखा जा सकता है, यह कार्य भविष्य के प्रयोगों के लिए आधार तैयार करता है जो क्वांटम दुनिया और उस शास्त्रीय दुनिया के बीच की वास्तविक सीमा का परीक्षण कर सकते हैं जिसे हम प्रतिदिन देखते हैं।
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