Sub-Doppler cooling in a compact conical hollow mirror integrated with anti-Helmholtz coils
लेखक एक एकल-बीम शंक्वाकार खोखले दर्पण (conical hollow mirror) का उपयोग करके, जिसे एंटी-हेल्महोल्ट्ज़ कॉइल्स के साथ एकीकृत किया गया है, Rb परमाणुओं के लिए एक कॉम्पैक्ट, शक्ति-कुशल सब-डॉप्लर कूलिंग योजना प्रदर्शित करते हैं, जो लगभग परमाणुओं को फँसाता है और पोलराइजेशन ग्रेडिएंट कूलिंग के माध्यम से रेडियल रूप से 13.4 K और अक्षीय रूप से 106 K के अनिसोट्रोपिक तापमान प्राप्त करता है।
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इन शोधकर्ताओं के कार्य को समझने के लिए, सबसे पहले परमाणुओं को धीमा करने की सूक्ष्म कला को समझना आवश्यक है। परमाणु पदार्थ के मूलभूत निर्माण खंड हैं, लेकिन जब वे गर्म होते हैं, तो वे अविश्वसनीय गति से इधर-उधर दौड़ते हैं, और अराजक तरीके से आपस में टकराते और बिखरते हैं। अत्यधिक सटीकता के साथ उनका अध्ययन करने या परमाणु घड़ियों जैसी उन्नत तकनीकों में उनका उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को पहले उन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब के तापमान तक ठंडा करना पड़ता है। यह आमतौर पर लेजर प्रकाश का उपयोग करके किया जाता है। हालांकि प्रकाश आमतौर पर चीजों को दूर धकेलता है, वैज्ञानिकों ने यह पता लगाया है कि लेसरों को इस तरह से कैसे ट्यून किया जाए कि बीम की ओर बढ़ते परमाणु फोटॉन को अवशोषित करें और एक हल्का "धक्का" प्राप्त करें जो उन्हें धीमा कर दे। सभी दिशाओं से लेजरों को व्यवस्थित करके, वे एक ऐसा जाल बना सकते हैं जहाँ परमाणुओं को एक स्थान पर रखा जा सके और गतिहीनता की स्थिति तक ठंडा किया जा सके। यह तकनीक, जिसे मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप कहा जाता है, कई आधुनिक क्वांटम प्रयोगों के लिए एक मानक शुरुआती बिंदु है, लेकिन इसके लिए आवश्यक उपकरण अक्सर भारी और जटिल होते हैं, जिन्हें कार्य करने के लिए कई शक्तिशाली लेजर और बड़े चुंबकीय कॉइल्स की आवश्यकता होती है।
टोक्यो विश्वविद्यालय और सहयोगी संस्थानों के भौतिकविदों की एक टीम ने अब बहुत कम उपकरणों और ऊर्जा के साथ इस शीतलन (cooling) को प्राप्त करने का तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक कॉम्पैक्ट उपकरण बनाया है जो रुबिडियम परमाणुओं को फँसाने और ठंडा करने के लिए लेजर प्रकाश की एक एकल बीम और एक विशेष आकार के दर्पण का उपयोग करता है। उस सामान्य सेटअप के बजाय जिसमें अलग-अलग कोणों से परमाणुओं की ओर छह अलग-अलग लेजर बीम की आवश्यकता होती है, उनके डिजाइन में एल्युमीनियम से बना एक खोखला शंकु (cone) उपयोग किया गया है। जब एक एकल लेजर बीम इस शंकु के केंद्र में नीचे की ओर छोड़ी जाती है, तो इसकी आंतरिक दीवारें प्रकाश को वापस परावर्तित करती हैं, जिससे यह प्रभावी रूप से परमाणुओं के चारों ओर कई बीमों में विभाजित हो जाता है। शंकु का आकार प्रकाश को केंद्र की ओर केंद्रित भी करता है, जिससे जाल बहुत अधिक कुशल हो जाता है। यह शोधकर्ताओं को पारंपरिक तरीकों की तुलना में काफी कम लेजर शक्ति का उपयोग करके बड़ी संख्या में परमाणुओं को पकड़ने की अनुमति देता है।
शोधकर्ताओं ने इस शंक्वाकार दर्पण को चुंबकीय कॉइल्स के साथ एक ही छोटे, यांत्रिक इकाई में एकीकृत किया। उन्होंने एक लेजर बीम को शंकु में छोड़ा और रुबिडियम परमाणुओं को एक स्थान पर रखने के लिए चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि परमाणुओं की संख्या जो वे फँसा सकते थे, तब अपने शिखर पर पहुँची जब लेजर तीव्रता को 6.5 मिलीवाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर के एक विशिष्ट, अपेक्षाकृत कम स्तर पर सेट किया गया था। यह आमतौर पर छह अलग-अलग बीमों वाले मानक ट्रैप के लिए आवश्यक शक्ति से लगभग चार गुना कम है। इन इष्टतम स्थितियों के तहत, उन्होंने सफलतापूर्वक लगभग दस मिलियन परमाणुओं को पकड़ा। यह दक्षता शंकु की ज्यामिति का सीधा परिणाम है, जो प्रकाश को ठीक वहीं केंद्रित करती है जहाँ परमाणु होते हैं, न कि इसे एक बड़े क्षेत्र में फैलाती है।
एक बार जब परमाणु फंस गए, तो टीम यह देखना चाहती थी कि वे उन्हें कितना ठंडा कर सकते हैं। उन्होंने पोलराइजेशन ग्रेडिएंट कूलिंग नामक एक तकनीक लागू की, जो परमाणुओं से और भी अधिक ऊर्जा निकालने के लिए प्रकाश के सूक्ष्म गुणों का उपयोग करती है। परिणामों ने दिखाया कि परमाणु अविश्वसनीय रूप से ठंडे हो गए, जो इस प्रकार के शीतलन के लिए मानक सीमा से काफी नीचे पहुँच गए। हालाँकि, शीतलन हर दिशा में एक समान नहीं था। परमाणु शंकु के आर-पार (sideways) चलने की दिशा में लगभग 13.4 माइक्रोकेल्विन तक ठंडे हो गए, लेकिन वे शंकु के अक्ष (axis) के ऊपर और नीचे की दिशा में चलते समय लगभग 106 माइक्रोकेल्विन पर गर्म रहे। यह अंतर इसलिए होता है क्योंकि शंकु द्वारा बनाया गया प्रकाश का पैटर्न इन दो दिशाओं में भिन्न होता है; प्रकाश इस तरह व्यवस्थित है कि यह बगल की गति को रोकने में बहुत प्रभावी है लेकिन शंकु की लंबाई के साथ होने वाली गति को रोकने में कम प्रभावी है।
टीम ने यह भी मापा कि अतिरिक्त कूलिंग चरण लागू करने से पहले, परमाणुओं को पहली बार फँसाने के तुरंत बाद वे कितने गर्म थे। उन्होंने पाया कि बगल की ओर चलने वाले परमाणु लगभग 1.2 मिलीकेल्विन के थे, जो समान सेटिंग्स वाले मानक छह-बीम ट्रैप की तुलना में लगभग सात गुना अधिक गर्म हैं। यह पुष्टि करता है कि कंप्यूटर सिमुलेशन ने पहले सुझाव दिया था कि शंकु का आकार एक विशिष्ट प्रकार का बल बनाता है जो शंकु के केंद्र के चारों ओर घूमने वाली गति को ठंडा करने में कम कुशल है। हालांकि यह रेडियल तापमान आदर्श से अधिक है, लेकिन इतनी बड़ी संख्या में परमाणुओं को पकड़ने की क्षमता, एक एकल, कॉम्पैक्ट और ऊर्जा-कुशल उपकरण के साथ, एक महत्वपूर्ण प्रगति है। शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया है कि यह सरल, एकीकृत दर्पण प्रणाली ठंडे परमाणुओं के लिए एक व्यावहारिक और प्रभावी स्रोत के रूप में काम कर सकती है, जो छोटे, अधिक पोर्टेबल क्वांटम सेंसर और परमाणु घड़ियों के लिए मार्ग प्रशस्त करती है जिनका उपयोग बड़े प्रयोगशालाओं के बाहर किया जा सकता है।
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