Cooling and delocalizing thermal oscillators in hollow-core fibers using optical fringes

क्वांटम भौतिकी के शांत क्षेत्र में, वैज्ञानिक लंबे समय से ब्रह्मांड की सबसे छोटी वस्तुओं: व्यक्तिगत परमाणुओं और कणों को नियंत्रित करने की खोज कर रहे हैं। प्रकाश के माध्यम से इन कणों को फंसाकर, शोधकर्ता उन्हें तब तक ठंडा कर सकते हैं जब तक कि वे लगभग स्थिर न हो जाएं, जिससे वे एक ऐसी अवस्था में पहुँच जाते हैं जहाँ उनका व्यवहार रोजमर्रा के जीवन के परिचित नियमों के बजाय क्वांटम यांत्रिकी के विचित्र नियमों द्वारा शासित होता है। ऑप्टोमैकेनिक्स (optomechanics) के रूप में ज्ञात यह क्षेत्र वैज्ञानिकों को अविश्वसनीय सटीकता के साथ बलों को मापने की अनुमति देता है, जो गुरुत्वाकर्षण की सबसे हल्की फुसफुसाहट या अंतरिक्ष के सूक्ष्म बदलावों का पता लगाने में सक्षम है। हालाँकि, एक बड़ी चुनौती बनी हुई है: इन कणों को न केवल धीमा करके, बल्कि उनकी गति को विशिष्ट तरीकों से फैलाकर उन्हें अपने आसपास की दुनिया के प्रति और भी अधिक संवेदनशील बनाकर कैसे नियंत्रित किया जाए। कल्पना कीजिए कि एक कण प्रकाश के एक छोटे, अदृश्य पिंजरे में फंसा हुआ है; लक्ष्य उस कण को फैलाना है, उसे "डिलोकलाइज्ड" (delocalized) बनाना है, ताकि उसकी स्थिति बहुत अनिश्चित हो जाए, एक ऐसी अवस्था जो ब्रह्मांड को महसूस करने के हमारे तरीके में क्रांति ला सकती है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस खोज में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें प्रकाश के एक खोखले फाइबर के भीतर एक सूक्ष्म कांच के मनके (bead) को फंसाया गया है और अभूतपूर्व नियंत्रण के साथ उसकी गति को नियंत्रित किया गया है। वैज्ञानिकों ने एक विशेष प्रकार के फाइबर का उपयोग किया, जो एक 'हॉलो-कोर फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर' है, जो एक लंबी, खाली ट्यूब की तरह कार्य करता है जो प्रकाश का मार्गदर्शन करता है। इस ट्यूब के भीतर, उन्होंने दो विपरीत दिशाओं में यात्रा करने वाली लेजर लाइट की किरणों द्वारा बनाए गए हस्तक्षेप पैटर्न (interference patterns) का उपयोग करके एक सिलिका नैनोकण को फंसाया, जिसका व्यास लगभग दो सौ तैंतीस नैनोमीटर था। ये किरणें चमकीली और अंधेरी धारियों की एक श्रृंखला बनाती हैं, ठीक वैसे ही जैसे तालाब में दो पत्थर फेंकने पर दिखने वाली लहरें, और कण इन धारियों में से एक में फंस जाता है। लेजरों को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, टीम ने पहले सभी दिशाओं में कण की गति को ठंडा किया, जिससे उसका तापमान परम शून्य के करीब, विशेष रूप से लगभग सात दशमलव आठ केल्विन तक ले आया गया, जो सबसे ठंडे संभव तापमान से कुछ ही डिग्री ऊपर है।

एक बार जब कण शांत हो गया, तो शोधकर्ताओं ने इसकी गति को फैलाने का प्रयास किया, जिसे वे 'डिलोकलाइजेशन' (delocalization) कहते हैं। उन्होंने इसे प्राप्त करने के लिए दो अलग-अलग विधियों का उपयोग किया, जिनमें से दोनों में लेजर की शक्ति को बदले बिना प्रकाश के जाल (trap) को नियंत्रित करना शामिल था। पहले दृष्टिकोण में, उन्होंने प्रकाश की किरणों के ध्रुवीकरण (polarization) को तेजी से घुमाया। इस क्रिया ने प्रभावी रूप से जाल को कमजोर कर दिया, जिससे कण अचानक एक उथले विभव कूप (potential well) में आ गया। चूंकि कण उस समय एक विशिष्ट गति से चल रहा था जब जाल कमजोर हुआ, इस अचानक परिवर्तन के कारण उसकी स्थिति काफी फैल गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि इस तकनीक ने कण की स्थिति की अनिश्चितता को उसकी प्रारंभिक ठंडी अवस्था की तुलना में लगभग बारह डेसिबल बढ़ा दिया। महत्वपूर्ण रूप से, कण का व्यवहार अनुमानित रहा और इसने एक मानक बेल-कर्व (bell-curve) वितरण का पालन किया, जिसका अर्थ है कि यह रैखिक भौतिकी के दायरे में बना रहा।

दूसरा तरीका और भी अधिक प्रभावी सिद्ध हुआ, जिसने डिलोकलाइजेशन की सीमाओं को और आगे बढ़ाया। केवल जाल को कमजोर करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने कण को एक चमकीली पट्टी से एक अंधेरी पट्टी की ओर ले जाने के लिए तीव्र चरण नियंत्रण (phase control) का उपयोग किया। अंधेरी पट्टी में, प्रकाशीय बल उलट जाते हैं, जिससे एक प्रतिकर्षी विभव (repulsive potential) बनता है जो कण को केंद्र से दूर धकेलता है। यह उल्टा बल एक हाइपरबोलिक त्वरक (hyperbolic accelerator) की तरह कार्य करता है, जिससे कण की स्थिति तेजी से फैल जाती है। चमकीली और अंधेरी पट्टियों के बीच एक सटीक लय में कण को इधर-उधर ले जाकर, टीम कई चक्रों में इस प्रभाव को संचित करने में सक्षम रही। इस प्रक्रिया ने प्रारंभिक अवस्था के सापेक्ष स्थिति के विचरण (variance) को तेरह दशमलव दो तीन डेसिबल तक बढ़ा दिया। डिलोकलाइजेशन का यह स्तर पर्याप्त है, जो ठंडी अवस्था की तुलना में बल माप की संवेदनशीलता में साढ़े चार गुना सुधार का प्रतिनिधित्व करता है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब कण को और भी अधिक डिलोकलाइज किया जाता है, जिससे वह प्रकाश के जाल के किनारों की ओर धकेल दिया जाता है जहाँ बल अब पूरी तरह से सुचारू नहीं रह जाते हैं। इस शासन (regime) में, कण की गति 'नॉन-गॉसियन' (non-Gaussian) हो जाती है, जिसका अर्थ है कि उसकी स्थितियों का वितरण मानक बेल कर्व से विचलित होकर लंबी, घुमावदार पूंछ विकसित करता है। शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक इन जटिल, गैर-रैखिक गतिकी का अनुकरण और अवलोकन किया, जिससे पुष्टि हुई कि उनके सैद्धांतिक मॉडल इन चरम स्थितियों में भी कण के व्यवहार का सटीक वर्णन करते हैं। इस तरह के जटिल राज्यों को उत्पन्न करने और नियंत्रित करने की यह क्षमता सेंसिंग के नए द्वार खोलती है और बड़ी वस्तुओं के साथ क्वांटम भौतिकी की सीमाओं का परीक्षण करने की अनुमति देती है।

इस कार्य के निहितार्थ प्रयोगशाला से परे भी विस्तृत हैं। यह प्रदर्शित करके कि इन तकनीकों को फाइबर के भीतर किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने कॉम्पैक्ट, मजबूत प्रणालियों में क्वांटम सेंसिंग को एकीकृत करने के लिए एक बहुमुखी मंच स्थापित किया है। सहायक ट्रैप या आवेशित कणों की आवश्यकता के बिना इन उच्च डिलोकलाइज्ड अवस्थाओं को बनाने की क्षमता इस दृष्टिकोण को भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से आशाजनक बनाती है। विशेष रूप से 'डार्क फ्रिंज' तकनीक, उन हीटिंग प्रभावों को कम करने का एक तरीका प्रदान करती है जो आमतौर पर ऐसे प्रयोगों में बाधा डालते हैं, जिससे लंबे अवलोकन समय और अधिक सटीक माप संभव होते हैं। अंततः, यह शोध ट्रैप्ड नैनोपार्टिकल्स को मैटर-वेव इंटरफेरोमेट्री के लिए उपयोग करने और मैक्रोस्कोपिक क्वांटम सुपरपोजिशन के परीक्षण के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो क्वांटम यांत्रिकी की विचित्र दुनिया को रोजमर्रा की वस्तुओं के पैमाने के और करीब लाता है।