Imaginary magnetic fields for ultracold atoms

अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं की शांत, जमी हुई दुनिया में, भौतिकविदों ने लंबे समय से कणों को इस तरह व्यवहार करने के लिए छलना सीखा है जैसे कि वे आवेशित हों, भले ही वे विद्युत रूप से उदासीन हों। परमाणुओं के बादलों को सावधानीपूर्वक ट्यून की गई लेजर रोशनी से नहलाकर, शोधकर्ता ऐसे "सिंथेटिक" बल बना सकते हैं जो चुंबकीय क्षेत्रों के प्रभाव की नकल करते हैं। वास्तविक, परिचित दुनिया में, एक चुंबकीय क्षेत्र चलते हुए आवेशित कण को बगल की ओर धकेलता है, जिससे वह मुड़ने लगता है। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन सिंथेटिक चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग तटस्थ परमाणुओं को समान घुमावदार पथों पर निर्देशित करने के लिए किया है, जिससे वे एक स्वच्छ, नियंत्रित वातावरण में जटिल विद्युत घटनाओं का अनुकरण कर सके। हालाँकि, एक दूसरा, अधिक विचित्र प्रकार का चुंबकीय क्षेत्र भी मौजूद है जो केवल सैद्धांतिक भौतिकी के क्षेत्र में विद्यमान है: एक काल्पनिक (इमेजिनरी) चुंबकीय क्षेत्र। वास्तविक चुंबकीय क्षेत्रों के विपरीत जो कणों को दिशा देते हैं, एक काल्पनिक क्षेत्र पारंपरिक अर्थों में धक्का या खिंचाव नहीं देता है। इसके बजाय, यह एक चयनात्मक फिल्टर की तरह कार्य करता है, जिससे कण अलग-अलग दरों पर गायब हो जाते हैं, जो इस बात पर निर्भर करता है कि वे कहाँ हैं और कैसे चल रहे हैं। ऊर्जा या कणों को खोने वाले तंत्रों के गणित में निहित यह अवधारणा बताती है कि विसरण (डिसिपेशन)—वस्तुओं को खोने की क्रिया—पदार्थ के चलने के तरीके को मौलिक रूप से बदल सकती है, जिससे ऐसे प्रभाव उत्पन्न होते हैं जो एक पूर्णतः बंद प्रणाली में असंभव हैं।

विल्नियस यूनिवर्सिटी, लिथुआनिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं के लिए इस मायावी काल्पनिक चुंबकीय क्षेत्र को बनाने का एक ठोस तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने एक चार-स्तरीय परमाणु प्रणाली का उपयोग करके एक विशिष्ट सेटअप डिजाइन किया है, जहाँ परमाणुओं को लेजर बीमों का उपयोग करके विभिन्न आंतरिक अवस्थाओं के बीच एक नाजुक नृत्य में शामिल किया जाता है। उनके प्रस्ताव की कुंजी एक नियंत्रित, अवस्था-निर्भर हानि (स्टेट-डिपेंडेंट लॉस) का परिचय देना है। कल्पना कीजिए कि परमाणु एक पथ पर यात्री हैं; शोधकर्ताओं ने लेजर को इस तरह सेट किया है कि यदि कोई परमाणु एक निश्चित मार्ग लेता है या किसी विशिष्ट स्थान पर होता है, तो उसके पूरी तरह से सिस्टम से बाहर निकल जाने की संभावना अधिक होती है। लेजर कपलिंग की शक्ति और परमाणुओं के नष्ट होने की दर के बीच संतुलन बनाकर, टीम ने दिखाया कि शेष परमाणु इस तरह व्यवहार करते हैं जैसे कि वे एक समान काल्पनिक चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से चल रहे हों। यह ऐसा क्षेत्र नहीं है जो परमाणुओं को बगल की ओर धकेलता है, बल्कि एक ऐसा क्षेत्र है जो एक स्थानिक रूप से समान "काल्पनिक" बल बनाता है, एक ऐसी अवधारणा जिसे पहले प्रयोगशाला सेटिंग में साकार करना कठिन था।

शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि दो सहायक परमाणु अवस्थाओं को समाप्त करके और सिस्टम को शेष अवस्थाओं पर प्रोजेक्ट करके, परमाणुओं की गति इस काल्पनिक क्षमता (पोटेंशियल) द्वारा नियंत्रित होती है। अपने सैद्धांतिक मॉडल में, उन्होंने पाया कि परमाणु केवल बहकर दूर नहीं जाते; वे एक अद्वितीय प्रकार का परिवहन प्रदर्शित करते हैं जो परमाणुओं के बादल के आकार पर बहुत अधिक निर्भर करता है। जब परमाणुओं के एक समूह (पैकेट) को छोड़ा जाता है, तो काल्पनिक क्षेत्र बादल के केंद्र को इस तरह से बगल की ओर धकेलता है जो सीधे तौर पर इस बात पर निर्भर करता है कि पैकेट कितना चौड़ा है। एक व्यापक बादल एक संकीर्ण बादल की तुलना में अधिक शक्तिशाली पार्श्व धक्का अनुभव करता है। यह वास्तविक चुंबकीय क्षेत्रों के काम करने के तरीके से एक बड़ा अंतर है, जहाँ एक कण का पथ उसकी गति और आवेश द्वारा निर्धारित होता है, न कि उस समूह के फैलाव से जिससे वह संबंधित है। टीम ने गणना की कि यह पार्श्व बहाव बहुत तेज़ी से होता है, यहाँ तक कि परमाणुओं के महत्वपूर्ण पार्श्व संवेग (मोमेंटम) बनाने से पहले ही प्रकट हो जाता है। यह एक ऐसा संचलन है जो पूरी तरह से इस तथ्य से प्रेरित है कि बादल के एक तरफ के परमाणु दूसरी तरफ की तुलना में तेज़ी से हटा दिए जा रहे हैं, जो प्रभावी रूप से द्रव्यमान के केंद्र को विपरीत दिशा में धकेलता है।

इस बहाव के अलावा, अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि काल्पनिक चुंबकीय क्षेत्र परमाणु बादल के आकार को गतिशील रूप से बदल देता है। जैसे-जैसे परमाणु चलते हैं, बादल केवल समान रूप से विस्तारित नहीं होता है; यह खिंचता और सिकुड़ता है, और आगे बढ़ते हुए अपनी दिशा भी घुमाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कुछ स्थितियों के तहत, बादल की एक दिशा वास्तव में सिकुड़ सकती है जबकि दूसरी दिशा फैल सकती है, जिसे 'सिकुड़ना' (स्क्वीजिंग) नामक घटना कहा जाता है। यह व्यवहार काल्पनिक क्षेत्र और परमाणुओं के फैलने की प्राकृतिक प्रवृत्ति के बीच परस्पर क्रिया का सीधा परिणाम है। टीम ने यह भी पता लगाया कि क्या होता है जब इन परमाणुओं को एक बंद लूप के चारों ओर निर्देशित किया जाता है, जो एक रेस ट्रैक के समान है। उन्होंने पाया कि यात्रा के दौरान जीवित बचे परमाणुओं की संख्या इस बात पर निर्भर करती है कि वे किस दिशा में यात्रा कर रहे हैं और पथ द्वारा घेरे गए क्षेत्र पर निर्भर करती है। यदि परमाणु दक्षिणावर्त (क्लॉकवाइज) चलते हैं, तो यदि वे वामावर्त (काउंटर-क्लॉकवाइज) चलते हैं, तो जीवित बचे परमाणुओं की संख्या अलग होगी, भले ही पथ एक जैसा हो। यह एक ज्यामितीय प्रभाव है, जो लूप के माध्यम से गुजरने वाले काल्पनिक चुंबकीय फ्लक्स का एक संकेत है, और यह इस अजीब क्षेत्र की उपस्थिति का पता लगाने का एक स्पष्ट, मापने योग्य तरीका प्रदान करता है।

इन निष्कर्षों की वैधता एक सरलीकृत गणितीय मॉडल और एक अधिक जटिल, पूर्ण-स्तरीय सिमुलेशन के बीच सावधानीपूर्वक तुलना पर टिकी है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनका सरलीकृत दृष्टिकोण, जो यह मानता है कि परमाणु एक विशिष्ट क्वांटम अवस्था में रहते हैं, एक महत्वपूर्ण अवधि के लिए पूर्ण सिमुलेशन के परिणामों से मेल खाता है। यह सहमति पुष्टि करती है कि प्रस्तावित विधि सुदृढ़ है और उनके द्वारा अनुमानित प्रभाव केवल गणितीय विसंगतियां नहीं हैं बल्कि वास्तविक भौतिक व्यवहार हैं जिन्हें एक प्रयोग में देखा जा सकता है। अध्ययन सुझाव देता है कि डिजिटल दर्पणों का उपयोग करके लेजर बीमों को आकार देकर और उच्च सटीकता के साथ परमाणुओं को हटाने को नियंत्रित करके, प्रयोगकर्ता इन प्रभावों को देखने के लिए आवश्यक स्थितियाँ बना सकते हैं। यह कार्य नॉन-हर्मिटीन भौतिकी (non-Hermitian physics) के क्षेत्र में एक नया द्वार खोलता है, जो उन प्रणालियों का अध्ययन करता है जहाँ ऊर्जा या कण संरक्षित नहीं रहते हैं, यह दिखाते हुए कि हानि (लॉस) केवल एक बाधा नहीं है जिसे टाला जाना चाहिए, बल्कि एक शक्तिशाली उपकरण है जिसे नए प्रकार के संचलन और परिवहन बनाने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है।