Optical atomic clocks on all-optical atom chips

समय, सबसे सटीक अर्थ में, एक ऐसी नदी नहीं है जो निरंतर गति से बहती है, बल्कि एक कंपन है। दशकों से, दुनिया की सबसे सटीक घड़ियों ने सेकंड को परिभाषित करने के लिए परमाणुओं के स्थिर टिक-टिक, विशेष रूप से सीज़ियम परमाणुओं के कंपन, को गिना है। हालाँकि, वैज्ञानिक लंबे समय से एक बेहतर मानक की तलाश में रहे हैं, जो अधिक तेज़ी से और अधिक निरंतरता के साथ कंपन कर सके। ये बेहतर टाइमकीपर, जिन्हें ऑप्टिकल क्लॉक (प्रकाशिक घड़ियाँ) कहा जाता है, उन परमाणुओं का उपयोग करते हैं जो माइक्रोवेव के बजाय दृश्य प्रकाश की आवृत्ति पर दोलन करते हैं। इन घड़ियों को काम करने के लिए, परमाणुओं को पूरी तरह से स्थिर रखना पड़ता है, उन्हें गर्मी की हलचल और गुरुत्वाकर्षण के खिंचाव से अलग रखना पड़ता है, जो आमतौर पर एक कमरे के आकार के वैक्यूम चैंबर में होता है। चुनौती हमेशा इस विशाल, नाजुक उपकरण को इतना छोटा करने की रही है कि उसे ले जाया जा सके, जबकि उसकी अविश्वसनीय सटीकता को बरकरार रखा जा सके।

यूनाइटेड किंगडम में नेशनल फिजिकल लैबोरेटरी के एक शोधकर्ता ने इसे करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है, जिसमें घड़ी को सीधे एक सूक्ष्म चिप पर बनाया जाएगा, जिसमें परमाणुओं को थामने के लिए स्वयं प्रकाश का उपयोग किया जाएगा। चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करने के बजाय, जो कुछ प्रकार के परमाणुओं को नहीं पकड़ सकते, या भारी लेजरों के बजाय जो एक कमरा भर देते हैं, उनका डिज़ाइन एक सपाट, निलंबित कांच की पट्टी का उपयोग करता है, जो एक छोटे ऑप्टिकल फाइबर के समान है, ताकि प्रकाश तरंगों को निर्देशित किया जा सके। ये प्रकाश तरंगें चिप की सतह पर ही एक अदृश्य, त्रि-आयामी पिंजरा बनाती हैं। शोधकर्ता ने स्ट्रोंटियम पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक क्षारीय-मृदा धातु (alkaline-earth metal) है और अगली पीढ़ी के समय मानकों के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार है क्योंकि इसके परमाणु असाधारण स्थिरता के साथ कंपन करते हैं। चिप पर प्रकाश के एक विशिष्ट पैटर्न में इन परमाणुओं को फँसाकर, उनका लक्ष्य एक ऐसी घड़ी बनाना है जो न केवल अविश्वसनीय रूप से सटीक हो, बल्कि नेविगेशन सिस्टम या पोर्टेबल वैज्ञानिक उपकरणों में उपयोग करने के लिए पर्याप्त कॉम्पैक्ट भी हो।

इस नए दृष्टिकोण का मूल एक उपकरण है जिसे 'ऑल-ऑप्टिकल एटम चिप' कहा जाता है। पारंपरिक सेटअप में, वैज्ञानिक परमाणुओं को थामने के लिए तारों से उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करते हैं, लेकिन स्ट्रोंटियम परमाणु एक ऐसी अवस्था (ground state) रखते हैं जो उन्हें चुंबकीय ट्रैप के प्रति प्रतिरोधी बनाती है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता ने एक ऐसा चिप डिज़ाइन किया जहाँ प्रकाश स्वयं ट्रैपिंग का कार्य करता है। वे लेजर प्रकाश के दो अलग-अलग रंगों का उपयोग करते हैं, एक लाल और एक नीला, जिन्हें सिलिका ग्लास की एक निलंबित पट्टी के साथ निर्देशित किया जाता है। लाल प्रकाश परमाणुओं को आकर्षित करता है, जबकि नीला प्रकाश उन्हें दूर धकेलता है। इन विपरीत बलों को सावधानीपूर्वक संतुलित करके, परमाणु कांच की सतह के ठीक ऊपर एक स्थिर स्थिति में बैठ जाते हैं, जिन्हें 'ऑप्टिकल लैटिस' के रूप में जाना जाता है। यह सेटअप परमाणुओं को बहुत आसानी से हेरफेर और परीक्षण करने की अनुमति देता है, और चिप का सपाट डिज़ाइन अन्य घटकों, जैसे कि रिंग-आकार के लाइट रेज़ोनेटर को सीधे संरचना में एकीकृत करना संभव बनाता है। यह एकीकरण सक्रिय घड़ियों को बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है जो बाहरी सिग्नल को मापने के बजाय अपना स्वयं का स्थिर प्रकाश सिग्नल उत्पन्न कर सकती हैं।

परमाणुओं को किसी ठोस सतह के इतने करीब रखने में सबसे बड़ी बाधाओं में से एक 'वैन डेर वाल्स बल' (van der Waals force) है, जो परमाणुओं और उनके पास मौजूद सामग्री के बीच होने वाला एक सूक्ष्म आकर्षण है। जैसे-जैसे परमाणु कांच के करीब आते हैं, यह बल उन्हें अंदर की ओर खींचता है, और चूंकि यह खिंचाव घड़ी में उपयोग की जाने वाली दो ऊर्जा अवस्थाओं के लिए थोड़ा भिन्न होता है, इसलिए यह घड़ी की "टिक" को तेज़ या धीमा कर देता है, जिससे त्रुटियां उत्पन्न होती हैं। शोधकर्ता ने पाया कि विशिष्ट "मैजिक वेवलेंथ" (जादुई तरंग दैर्ध्य) के प्रकाश का उपयोग करके—ऐसे रंग जो घड़ी की आवृत्ति को बाधित नहीं करते हैं—वे इस समस्या को कम कर सकते हैं। उन्होंने गणना की कि 813 नैनोमीटर पर लाल प्रकाश और 390 नैनोमीटर पर नीले प्रकाश का उपयोग करके, वे एक ऐसा ट्रैप बना सकते हैं जहाँ परमाणु उस दूरी पर स्थित होते हैं जहाँ प्रकाश का प्रभाव कांच के कारण होने वाले फ्रीक्वेंसी शिफ्ट को रद्द कर देता है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने दिखाया कि यदि प्रकाश की तीव्रता में थोड़ा उतार-चढ़ाव होता भी है, तो भी घड़ी उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहती है।

अध्ययन ने एक अधिक क्रांतिकारी विन्यास (configuration) का भी अन्वेषण किया जहाँ परमाणुओं को केवल नीले प्रकाश के प्रतिकर्षक धक्के और वैन डेर वाल्स बल के प्राकृतिक आकर्षण द्वारा थामे रखा जाता है, जिसमें लाल प्रकाश की कोई भूमिका नहीं होती। यह दृष्टिकोण लाल प्रकाश की आवश्यकता को पूरी तरह से समाप्त कर देता है, जिससे अस्थिरता के एक संभावित स्रोत को हटाया जा सके। इस परिदृश्य में, परमाणुओं को नीले प्रकाश द्वारा कांच से दूर धकेला जाता है, लेकिन सतह के आकर्षण द्वारा धीरे से वापस खींचा जाता है, जिससे वे एक स्थिर संतुलन में स्थापित हो जाते हैं। शोधकर्ता ने अपने मॉडलों के माध्यम से प्रदर्शित किया कि यह तरीका काम कर सकता है, बशर्ते परमाणुओं को पर्याप्त ठंडा रखा जाए। यह विन्यास और भी उच्च सटीकता ला सकता है क्योंकि यह दो अलग-अलग प्रकाश क्षेत्रों को प्रबंधित करने की जटिलता को हटा देता है।

जब शोधकर्ता ने इस पर गणना की कि ये घड़ियाँ कितनी अच्छी तरह प्रदर्शन करेंगी, तो परिणाम उत्साहजनक थे। उन्होंने अनुमान लगाया कि इस डिज़ाइन पर बनी घड़ी लगभग $10^{-16}$ प्रति सेकंड की शॉर्ट-टर्म स्टेबिलिटी प्राप्त कर सकती है, जिसका अर्थ है कि यह एक बहुत ही कम अवधि में एक ट्रिलियनवें हिस्से के सेकंड से भी कम बढ़ेगी या घटेगी। दीर्घकालिक सटीकता के लिए, उन्होंने पाया कि यदि ट्रैपिंग लाइट की तीव्रता स्थिर रहती है, तो घड़ी लगभग $5 \times 10^{-15}$ की सटीकता तक पहुँच सकती है। यह स्तर वर्तमान में बड़े प्रयोगशालाओं में निर्मित सर्वश्रेष्ठ ऑप्टिकल घड़ियों के बराबर है, लेकिन इसमें एक चिप पर समाहित होने की क्षमता भी है। शोधकर्ता ने यह भी नोट किया कि इस तकनीक को थुलियम जैसे अन्य परमाणुओं के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जो अपने अद्वितीय परमाणु गुणों के कारण और भी अधिक सटीकता प्रदान कर सकते हैं।

इस कार्य का अंतिम लक्ष्य ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों को प्रयोगशाला से बाहर निकालकर वास्तविक दुनिया में लाना है। तकनीक को एक चिप तक छोटा करके, इन उपकरणों का उपयोग क्वांटम नेविगेटर, इनर्शियल सेंसर और अन्य उन्नत तकनीकों में किया जा सकता है जिन्हें सटीक समय की आवश्यकता होती है। एक सपाट सतह पर केवल प्रकाश का उपयोग करके परमाणुओं को फँसाने की क्षमता, घड़ियों को अन्य क्वांटम उपकरणों के साथ एकीकृत करने का द्वार खोलती है, जिससे पोर्टेबल, उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरणों की एक नई पीढ़ी तैयार होगी। हालाँकि यह शोध भौतिक प्रोटोटाइप के बजाय सैद्धांतिक मॉडलों और सिमुलेशन पर आधारित है, फिर भी गणनाएँ बताती हैं कि रास्ता स्पष्ट है। मैजिक वेवलेंथ, चतुर प्रकाश संतुलन और स्ट्रोंटियम परमाणुओं के अनूठे गुणों का संयोजन, अगली पीढ़ी के टाइमकीपर बनाने का एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है, जो ऑप्टिकल घड़ियों की असाधारण सटीकता को उस पैमाने पर लाता है जो पहले अकल्पनीय था।