Optical Signals Synthesized from an Optical Lattice Clock with Uncertainty of 1.3E-17

समय हमारे पास उपलब्ध सबसे मौलिक मुद्रा है, फिर भी इसे मापने का हमारा सबसे अच्छा तरीका लंबे समय से कंपन करते परमाणुओं से बने एक पेंडुलम की धीमी, भारी टिक-टिक तक सीमित रहा है। दशकों तक, एक सेकंड के लिए अंतर्राष्ट्रीय मानक सीज़ियम परमाणुओं से प्राप्त माइक्रोवेव संकेतों पर निर्भर रहा, जो एक ऐसी विधि है जो विश्वसनीय तो है, लेकिन इसमें त्रुटि की एक सूक्ष्म गुंजाइश होती है जो समय के साथ जमा होती रहती है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक बेहतर घड़ी का सपना देखते रहे हैं, एक ऐसी घड़ी जो प्रकाश के स्वयं के बहुत तेज़ कंपनों का उपयोग करती हो। ये "ऑप्टिकल क्लॉक्स" इतनी सटीक हैं कि यदि इनमें से कोई भी ब्रह्मांड की शुरुआत से चल रही होती, तो आज यह एक सेकंड से भी कम का अंतर दर्शाती। हालाँकि, एक घड़ी जो बहुत तेज़ है, वह तब तक बेकार है जब जब हम इसके तीव्र टिक को एक ऐसे संकेत में अनुवादित नहीं कर सकते जिसे हम अन्य उद्देश्यों के लिए उपयोग कर सकें। इस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे उपकरण की आवश्यकता है जो ऑप्टिकल क्लॉक की अत्यंत सटीक लय को ले सके और उसे धीमा या तेज़ कर सके, ताकि उपयोगकर्ता की इच्छानुसार किसी भी रंग की एक नई, स्थिर लेज़र रोशनी बनाई जा सके, और इस प्रक्रिया में उसकी अविश्वसनीय सटीकता को भी न खोया जाए। इस उपकरण को 'ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी सिंथेसाइज़र' कहा जाता है, और यह दुनिया की सबसे सटीक घड़ियों को विज्ञान के लिए व्यावहारिक उपकरणों में बदलने की कुंजी है।

शंघाई में ईस्ट चाइना नॉर्मल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ऐसा ही एक उपकरण बनाया है और प्रदर्शित किया है कि यह असाधारण निष्ठा के साथ काम करता है। उन्होंने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जो उनके अपने अत्याधुनिक यिट्रबियम ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक (ytterbium optical lattice clock) से संकेत लेती है और उसका उपयोग एक नई, एकल-आवृत्ति वाली लेज़र बीम उत्पन्न करने के लिए करती है। उनके कार्य की सुंदरता इस तथ्य में निहित है कि नया लेज़र मूल घड़ी की पूर्णता को विरासत में प्राप्त करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उनके अंतिम संकेत की अनिश्चितता अविश्वसनीय रूप से कम है, जो केवल $1.3 \times 10^{-17}$ है। इसे समझने के लिए, यदि यह घड़ी ब्रह्मांड की पूरी आयु तक चलती, तो यह एक सेकंड से भी कम का अंतर दर्शाती। सटीकता का यह स्तर अर्थ देता है कि यह उपकरण अब एक मास्टर संदर्भ के रूप में कार्य कर सकता है, जो लगभग किसी भी तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर स्थिर प्रकाश उत्पन्न करने में सक्षम है जिसकी वैज्ञानिकों को आवश्यकता हो सकती है, दृश्य स्पेक्ट्रम से लेकर इन्फ्रारेड तक, और वह भी उसी कठोर सटीकता को बनाए रखते हुए जो घड़ी की अपनी है।

इस उपलब्धि का केंद्र घड़ी की आवृत्ति को विभाजित करने की एक चतुर विधि है। घड़ी के प्रकाश की कल्पना एक उच्च गति वाली ट्रेन के रूप में करें जो ट्रैक पर चल रही है। शोधकर्ताओं को एक नई ट्रेन बनाने की आवश्यकता थी जो एक विशिष्ट, धीमी गति से चल रही हो, लेकिन वे यह सुनिश्चित करना चाहते थे कि नई ट्रेन कभी अपने मार्ग से न भटके। उन्होंने 'ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब' नामक एक उपकरण का उपयोग किया, जो प्रकाश से बने एक सटीक पैमाने (रूलर) की तरह कार्य करता है, ताकि घड़ी की आवृत्ति को मापा और विभाजित किया जा सके। अपने आउटपुट लेज़र को इस पैमाने से लॉक करके, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि घड़ी में होने वाली कोई भी सूक्ष्म डगमगाहट नए लेज़र में पूरी तरह से स्थानांतरित हो जाए। प्रणाली इतनी स्थिर है कि विभाजन प्रक्रिया द्वारा पेश की गई त्रुटियां नगण्य हैं, जो घड़ी की प्राकृतिक सीमाओं से भी बहुत कम हैं। इसका अर्थ है कि आउटपुट की गुणवत्ता लगभग पूरी तरह से घड़ी की गुणवत्ता पर निर्भर करती है, जो इस मामले में दुनिया की सर्वश्रेष्ठ घड़ियों में से एक है। न्यायालय।

इस परिणाम के महत्व को समझने के लिए, व्यक्ति को स्वयं घड़ी को देखना होगा। शोधकर्ताओं ने परमाणुओं को स्थिर रखने के लिए प्रकाश के एक जाल (लैटिस) का उपयोग किया, ताकि उन्हें ऊष्मा या गति के हस्तक्षेप के बिना मापा जा सके। उन्होंने इन परमाणुओं को परम शून्य (absolute zero) से कुछ अंश ऊपर के तापमान तक ठंडा किया, जिसमें उन्हें उनकी निम्नतम ऊर्जा अवस्था में स्थिर करने के लिए 'साइडबैंड कूलिंग' नामक तकनीक का उपयोग किया गया। इन चरम तापमानों पर भी, परमाणु अपने वातावरण से प्रभावित होते हैं। शोधकर्ताओं को अपने वैक्यूम चैंबर की दीवारों से निकलने वाली ऊष्मा, जिसे ब्लैकबॉडी रेडिएशन (blackbody radiation) कहा जाता है, के प्रभाव का हिसाब लगाना पड़ा, जो परमाणुओं को थोड़ा विचलित कर सकता है और घड़ी की टिक को बदल सकता है। उन्हें उन लाइट शिफ्ट (light shift) को भी ठीक करना पड़ा जो परमाणुओं को उनकी जगह पर थामे रखने वाले लेज़रों के कारण होते हैं। इन प्रभावों को सावधानीपूर्वक मापकर और सुधारकर, उन्होंने निर्धारित किया कि उनकी घड़ी मुख्य रूप से इन दो कारकों द्वारा सीमित है: कमरे की ऊष्मा और परमाणुओं को थामने वाला प्रकाश।

टीम ने केवल मशीन ही नहीं बनाई; उन्होंने त्रुटि के हर संभावित स्रोत का कड़ाई से परीक्षण किया ताकि वे जान सकें कि यह कितनी अच्छी है। उन्होंने उच्च-सटीक सेंसर के साथ अपने वैक्यूम चैंबर के तापमान को मापा और ऊष्मा विकिरण के प्रभाव की गणना की, जिससे पता चला कि यह अनिश्चितता का सबसे बड़ा स्रोत है। उन्होंने लैटिस और प्रोब लेज़रों से होने वाले लाइट शिफ्ट का भी विश्लेषण किया, यह सुनिश्चित करते हुए कि परमाणुओं को इस तरह से न धकेला या खींचा जाए जिससे समय के मापन में विकृति आए। उन्होंने यहाँ तक कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों के प्रभाव और बैकग्राउंड गैस के साथ टकराव की भी जाँच की। प्रत्येक ज्ञात कारक का हिसाब लगाने के बाद, कुल अनिश्चितता उस उल्लेखनीय $1.3 \times 10^{-17}$ पर बनी रही। निश्चितता का यह स्तर सिद्ध करता है कि ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी सिंथेसाइज़र केवल एक सैद्धांतिक अवधारणा नहीं है बल्कि एक कामकाजी वास्तविकता है जिसका उपयोग अब अभूतपूर्व संवेदनशीलता के साथ ब्रह्मांड की खोज करने के लिए किया जा सकता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल बेहतर समय रखने से कहीं अधिक विस्तृत हैं। एक ऐसे उपकरण के साथ जो इतनी सटीकता के साथ किसी भी आवृत्ति पर स्थिर प्रकाश उत्पन्न कर सकता है, वैज्ञानिक अब प्रकृति के मूलभूत स्थिरांकों (fundamental constants) में होने वाले परिवर्तनों की खोज कर सकते हैं, और इस बात के संकेत ढूंढ सकते हैं कि क्या भौतिकी के नियम समय के साथ बदल सकते हैं। यह डार्क मैटर का पता लगाने और गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांतों का परीक्षण करने के द्वार खोलता है, जो पहले असंभव था। शोधकर्ता पहले से ही भविष्य की योजना बना रहे हैं, जिसमें वे अपने क्लॉक को ऊष्मा और विद्युत क्षेत्रों से और भी प्रभावी ढंग से ढालकर (shielding) सुधारने का लक्ष्य रख रहे हैं, ताकि अनिश्चितता को $10^{-18}$ के स्तर तक नीचे लाया जा सके। फिलहाल, उन्होंने सफलतापूर्वक यह प्रदर्शित किया है कि ऑप्टिकल क्लॉक की अति-तीव्र दुनिया और उपयोगी लेज़रों की व्यावहारिक दुनिया के बीच का सेतु ठोस, स्थिर और भौतिकी की अगली महान खोजों के लिए तैयार है।