Achieving a long lifetime synchronized state in a thermal vapor Rydberg time crystal
यह शोध पत्र पल्स वाले rf ड्राइविंग का उपयोग करके एक थर्मल-वेपर रिडबर्ग परमाणु समूह में चरण एंट्रेनमेंट (phase entrainment) प्राप्त करने और 2.3 ms तक के चरण प्रसार (phase diffusion) समय-पैमानों को देखने के माध्यम से एक दीर्घजीवी सिंक्रोनाइज़्ड टाइम क्रिस्टल अवस्था के निर्माण को प्रदर्शित करता है, जो रिडबर्ग अवस्था के जीवनकाल से काफी अधिक हैं और जिन्हें सफलतापूर्वक एक शास्त्रीय फॉकर-प्लैंक समीकरण द्वारा मॉडल किया गया है।
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प्रकृति में ऐसे कई पैटर्न मौजूद हैं जो दोहराते रहते हैं, जैसे घड़ी की टिक-टिक से लेकर हृदय की धड़कन तक। सदियों से, वैज्ञानिकों ने यह समझा है कि इन लयों (rhythms) को जारी रखने के लिए आमतौर पर एक निरंतर धक्के या बल की आवश्यकता होती है, अन्यथा परिवेश में ऊर्जा के क्षय होने के कारण वे लुप्त हो जाती हैं। हालाँकि, 2012 में, एक सैद्धांतिक विचार उभरा जिसने सुझाव दिया कि पदार्थ एक ऐसी अवस्था में मौजूद हो सकता है जहाँ वह समय के स्वयं के नियमों को तोड़ देता है। यह काल्पनिक अवस्था, जिसे 'टाइम क्रिस्टल' (time crystal) कहा जाता है, न केवल स्थिर रहेगी और न ही शांत होगी; इसके बजाय, यह एक निरंतर लय में दोलन (oscillate) करेगी या कंपन करेगी, जिसके लिए उस विशिष्ट समय को बनाए रखने हेतु निरंतर ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता नहीं होगी। हालाँकि ये अवस्थाएँ विभिन्न क्वांटम प्रणालियों में देखी गई हैं, लेकिन एक बड़ा रहस्य बना हुआ है: शोर भरे और अपूर्ण वातावरण में इस लयबद्ध व्यवस्था कितनी देर तक बनी रह सकती है? इन लयों की स्थिरता को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि वैज्ञानिक एक ऐसा टाइम क्रिस्टल बना सकें जो अपनी लय को लंबे समय तक बनाए रखे, तो यह अति-सटीक मापन और समय निर्धारण के लिए नए उपकरण बनाने में सहायक हो सकता है।
नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी और यूनिवर्सिटी ऑफ कोलोराडो के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब गर्म परमाणुओं के एक बादल में एक लंबे समय तक चलने वाली सिंक्रोनाइज़्ड (तुल्यकालिक) लय बनाकर इस पहेली को सुलझाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक कांच की नली में गर्म किए गए सीज़ियम (cesium) परमाणुओं के साथ काम किया, उन्हें 'रिडबर्ग स्टेट' (Rydberg state) नामक उच्च-ऊर्जा अवस्था तक उत्तेजित किया। इस अवस्था में, परमाणु आपस में मजबूती से क्रिया करते हैं, जिससे एक सामूहिक व्यवहार उत्पन्न होता है जो स्वाभाविक रूप से दोलन करता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या वे इस स्वाभाविक, कुछ हद तक अराजक लय को एक स्थिर बाहरी संकेत (external signal) के साथ लॉक कर सकते हैं, जिसे 'एंट्रेनमेंट' (entrainment) कहा जाता है, और फिर यह देख सकते हैं कि संकेत बंद होने के बाद यह लॉक की गई लय कितनी देर तक जीवित रहती है। इसके लिए, उन्होंने लेजर बीमों का उपयोग करके परमाणुओं को उत्तेजित करने और रेडियो तरंगों के माध्यम से उन्हें प्रेरित करने वाला एक विशिष्ट सेटअप इस्तेमाल किया।
इस प्रयोग में रेडियो तरंगों का एक चतुर उपयोग शामिल था। टीम ने एक निरंतर बैकग्राउंड रेडियो सिग्नल लागू किया और फिर एक दूसरा, थोड़ा अलग सिग्नल चालू और बंद (pulse) किया। जब दूसरा सिग्नल सक्रिय था, तो इसने एक ऑर्केस्ट्रा के कंडक्टर की तरह कार्य किया, जिससे परमाणुओं को रेडियो तरंग की आवृत्ति (frequency) के साथ तालमेल बिठाकर चलने के लिए मजबूर किया गया। यह सिंक्रोनाइज़ेशन बहुत तेजी से हुआ, जिसमें परमाणुओं को लय में आने में केवल लगभग 0.16 मिलीसेकंड लगे। असली आश्चर्य तब आया जब शोधकर्ताओं ने पल्स्ड सिग्नल को बंद कर दिया। जैसा कि एक गर्म, शोर भरे वातावरण में अपेक्षित होता है, परमाणुओं के तुरंत अपनी लय खो देने और बिखर जाने के बजाय, सिंक्रोनाइज़्ड अवस्था काफी लंबे समय तक बनी रही। परमाणु लगभग 2.3 मिलीसेकंड तक एक साथ दोलन करते रहे, इससे पहले कि लय अंततः समाप्त हो जाए। यह अवधि महत्वपूर्ण है क्योंकि यह उत्तेजित परमाणुओं के प्राकृतिक जीवनकाल से बहुत अधिक है, जो यह दर्शाता है कि समूह का सामूहिक व्यवहार व्यक्तिगत परमाणुओं की तुलना में लय की बेहतर रक्षा करता है।
यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या हो रहा था, शोधकर्ताओं ने एक गणितीय मॉडल बनाया जिसने परमाणुओं को यादृच्छिक झटकों (noise) से प्रभावित युग्मित पेंडुलम (coupled pendulums) के एक समूह के रूप में माना। यह मॉडल, जो जटिल क्वांटम मैकेनिक्स के बजाय शास्त्रीय भौतिकी (classical physics) के सिद्धांतों पर आधारित है, प्रयोगशाला में देखे गए व्यवहार की सफलतापूर्वक भविष्यवाणी करता है। यह दर्शाता है कि रेडियो सिग्नल की शक्ति और इसकी आवृत्ति परमाणुओं की प्राकृतिक लय से कितनी निकटता से मेल खाती थी, यह निर्धारित करता था कि परमाणु कितनी अच्छी तरह से सिंक्रोनाइज़ होते हैं। जब सिग्नल मजबूत और सही ट्यून किया गया था, तो परमाणु मजबूती से लॉक हो गए। जब सिग्नल कमजोर या आउट-ऑफ-ट्यून था, तो सिंक्रोनाइज़ेशन कम प्रभावी था। मॉडल ने यह भी पुष्टि की कि सिग्नल रुकने के बाद लय का क्षय यादृच्छिक नहीं था बल्कि डिफ्यूजन (diffusion) के एक अनुमानित पैटर्न का पालन करता था, जहाँ परमाणुओं के फेज (phases) धीरे-धीरे एक-दूसरे से अलग होने लगते थे जब तक कि सामूहिक संकेत गायब नहीं हो जाता।
अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि जब स्थितियाँ आदर्श नहीं होती हैं तो क्या होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि रेडियो सिग्नल परमाणुओं की प्राकृतिक आवृत्ति से बहुत दूर था, तो परमाणु बिल्कुल भी लॉक नहीं हुए, और लय अराजक बनी रही। इसके अलावा, उन्होंने देखा कि परमाणुओं को सिंक्रोनाइज़ होने में लगने वाला समय रेडियो सिग्नल की शक्ति पर निर्भर करता था, लेकिन सिग्नल बंद होने के बाद उन्हें अलग होने में लगने वाला समय शक्ति के साथ बहुत अधिक नहीं बदला। यह सुझाव देता है कि जबकि बाहरी सिग्नल व्यवस्था को थोप सकता है, सिस्टम का आंतरिक शोर (noise) यह निर्धारित करता है कि सिग्नल बंद होने के बाद वह व्यवस्था कितनी देर तक जीवित रह सकती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनका मॉडल लो-पावर व्यवहार के हर एक विवरण को नहीं पकड़ सका, जो यह दर्शाता है कि कुछ जटिल गतिकी (dynamics) अभी भी मौजूद है जिसे एक सरल शास्त्रीय चित्र शायद मिस कर सकता है।
अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक गर्म और अव्यवस्थित वातावरण में एक स्थिर टाइम क्रिस्टल अवस्था बनाना संभव है। इन परमाणु दोलनों को सिंक्रोनाइज़ करने और उस सिंक्रोनाइज़ेशन को व्यक्तिगत परमाणुओं के जीवनकाल से कहीं अधिक समय तक बनाए रखने की क्षमता, भविष्य में ऐसे सिस्टम को अत्यधिक स्थिर फ्रीक्वेंसी स्टैंडर्ड्स के रूप में उपयोग करने की ओर संकेत करती है। ये निष्कर्ष इस बात का स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं कि कैसे इन विलक्षण पदार्थ अवस्थाओं को नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे वे सैद्धांतिक जिज्ञासाओं से हटकर व्यावहारिक अनुप्रयोगों (timing और measurement) की ओर बढ़ सकें। यह दिखाते हुए कि एक सरल शास्त्रीय मॉडल इस व्यवहार के अधिकांश हिस्से की व्याख्या कर सकता है, शोधकर्ताओं ने भविष्य के प्रयोगों के लिए एक ठोस आधार प्रदान किया है ताकि इन सिंक्रोनाइज़्ड अवस्थाओं को और अधिक परिष्कृत किया जा सके और उनकी सीमाओं का पता लगाया जा सके।
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