Nonperturbative optomechanics with thin, weakly reflective intracavity dielectrics

सटीक माप (precision measurement) की दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर सूक्ष्म वस्तुओं की अदृश्य गतिविधियों को महसूस करने के लिए प्रकाश पर निर्भर करते हैं। कल्पना कीजिए कि दो दर्पणों के बीच एक प्रकाश पुंज (beam of light) फंसा हुआ है, जो एक स्थिर तरंग (standing wave) बनाने के लिए हजारों बार आगे-पीछे उछल रहा है। यदि कोई छोटी वस्तु, जैसे धूल का कण या कांच का एक छोटा मोती, इस पुंज में तैरता हुआ आता है, तो यह प्रकाश के व्यवहार को थोड़ा बदल देता है। पारंपरिक रूप से, भौतिकविदों ने इन वस्तुओं को निष्क्रिय पर्यवेक्षक (passive observers) के रूप में माना है। उन्होंने माना कि प्रकाश क्षेत्र स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में था, और वस्तु ने केवल उसे हल्का सा धक्का दिया, जिससे प्रकाश के रंग या तीव्रता में एक छोटा, अनुमानित बदलाव आया। यह दृष्टिकोण, जिसे 'परटर्बेटिव' (perturbative) दृष्टिकोण कहा जाता है, उन बहुत छोटे कणों के लिए अच्छा काम करता है जो प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (wavelength) से बहुत छोटे होते हैं। यह शोधकर्ताओं को यह गणना करने की अनुमति देता है कि वस्तु कैसे चलती है और प्रकाश वापस कितना दबाव डालता है, जो बल के परीक्षण, गुरुत्वाकर्षण के परीक्षण और यहाँ तक कि पदार्थ की क्वांटम प्रकृति की खोज करने वाले प्रयोगों का आधार बनता है। हालाँकि, यह सरल चित्र यह मान लेता है कि वस्तु इतनी छोटी है कि वह उस मंच को मौलिक रूप से नहीं बदल सकती जिस पर वह खड़ी है।

कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (Caltech) और यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया, डेविस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पाया है कि जब वस्तु एक छोटा कण नहीं, बल्कि एक पतला, चपटा प्लेट होती है जो प्रकाश के पूरे पुंज को पकड़ने के लिए पर्याप्त चौड़ी होती है, तो यह धारणा टूट जाती है। अपने अध्ययन में, उन्होंने एक ऐसी स्थिति का परीक्षण किया जहाँ एक डाइइलेक्ट्रिक प्लेट—जो मूल रूप से कांच या सिलिका का एक टुकड़ा है—प्रकाश के स्वयं के दबाव द्वारा एक ऑप्टिकल कैविटी के भीतर हवा में तैर रही (levitated) है। भले ही प्लेट 'ऑप्टिकली थिन' है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश इसके माध्यम से आसानी से गुजर जाता है, और भले ही यह बहुत कम परावर्तक (reflective) है, शोधकर्ताओं ने पाया कि इसकी उपस्थिति ने कैविटी के भीतर प्रकाश क्षेत्र को पूरी तरह से पुनर्गठित कर दिया है। पहले से मौजूद तरंग को केवल धकेलने के बजाय, प्लेट ने एकल कैविटी को दो छोटे, युग्मित (coupled) कक्षों में विभाजित कर दिया है। इन कक्षों में प्रकाश प्लेट के साथ एक जटिल, स्व-सुसंगत लूप (self-consistent loop) में परस्पर क्रिया करता है, जहाँ प्लेट की स्थिति प्रकाश को निर्धारित करती है, और प्रकाश प्लेट की स्थिति को निर्धारित करता है। यह भौतिकी के एक नए युग का निर्माण करता है जहाँ सेंसर अब केवल क्षेत्र का एक प्रोब (probe) नहीं है, बल्कि उसका एक सक्रिय वास्तुकार (architect) है।

शोधकर्ताओं ने एक सेटअप का मॉडल तैयार किया जहाँ एक लेजर बीम एक मीटर लंबी कैविटी में प्रवेश करती है, जिसमें 75 माइक्रोमीटर की त्रिज्या वाली एक सपाट सिलिका सेंसर को फंसाया गया है। यह सेंसर प्रकाश के लगभग पूरे विस्तार को पकड़ने के लिए पर्याप्त बड़ा है, जो एक आंशिक रूप से पारदर्शी आंतरिक दर्पण की तरह कार्य करता है। जब उन्होंने मानक सन्निकटन (approximations) के बजाय इस प्रणाली के व्यवहार की सटीक गणना की, तो उन्होंने पाया कि कैविटी के भीतर प्रकाश ने नए अनुनाद (resonances) बनाए। ये विशिष्ट स्थितियाँ हैं जहाँ प्रकाश तीव्रता में बढ़ता है, लेकिन ये इस तरह से होती हैं जो कांच की प्लेट की मोटाई पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं। प्लेट प्रभावी रूप से कैविटी को दो उप-कैविटी (sub-cavities) में विभाजित करती है: एक प्रवेश दर्पण और प्लेट के सामने के हिस्से के बीच, और दूसरी प्लेट के पिछले हिस्से और निकास दर्पण के बीच। क्योंकि प्लेट कुछ प्रकाश को परावर्तित करती है, ये दो क्षेत्र अलग-थलग नहीं हैं; वे एक-दूसरे से संवाद करते हैं। एक तरफ का प्रकाश दूसरी तरफ रिसता है, जिससे एक साझा अनुनाद (shared resonance) बनता है जो प्लेट की मोटाई के आधार पर बदलता रहता है। यह पुनर्गठन तब भी होता है जब प्लेट अविश्वसनीय रूप से पतली होती है, जो प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के दसवें हिस्से और सामग्री के अपवर्तनांक (refractive index) के अनुपात जितनी भी हो सकती है। इस स्तर पर, दशकों से भौतिकविदों द्वारा कैविटी आवृत्ति के बदलाव और प्लेट की यांत्रिक गति के साथ प्रकाश के जुड़ाव की ताकत की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक गणितीय सूत्र पूरी तरह से विफल हो जाते हैं।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह है कि सिस्टम कैसा व्यवहार करता है जब कैविटी "लॉक" होती है। कई प्रयोगों में, वैज्ञानिक प्रकाश को अनुनाद में रखने और गुजरने वाली शक्ति को अधिकतम करने के लिए कैविटी की लंबाई को समायोजित करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने कैविटी को इस अधिकतम शक्ति अवस्था के लिए लॉक किया, तो सिस्टम का व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। प्लेट को उसकी संतुलन स्थिति से हटाने के लिए लगने वाला बल बहुत अधिक कठोर (stiffer) हो गया, जिसका अर्थ है कि प्लेट को उसकी स्थिति से हिलाना कठिन हो गया। साथ ही, प्रकाश और प्लेट की यांत्रिक गति के बीच की अंतःक्रिया की शक्ति लगभग तीन हजार गुना कम हो गई। युग्मन (coupling) का यह दमन और ट्रैप की कठोरता का यह प्रवर्धन इसलिए हुआ क्योंकि लॉकिंग स्थिति ने दो अलग-अलग अनुनादों को एक एकल, व्यापक विशेषता में विलय होने के लिए मजबूर कर दिया। इस विलय की गई अवस्था में, प्लेट के दोनों ओर से लगने वाला प्रकाश का दबाव इस तरह संतुलित हो गया कि सिस्टम छोटी गतिविधियों के प्रति अविश्वसनीय रूप से स्थिर हो गया, फिर भी उन यांत्रिक कंपनों के प्रति बहुत कम संवेदनशील हो गया जिन्हें शोधकर्ता आमतौर पर मापने की कोशिश करते हैं।

शायद सबसे विरोधाभासी परिणाम प्लेट की गति को ठंडा करने (cooling) से संबंधित है। मानक ऑप्टिकल सिस्टम में, वैज्ञानिक एक ऐसी लेजर का उपयोग करते हैं जो पूर्ण अनुनाद रंग से थोड़ी अलग (detuned) होती है ताकि किसी वस्तु को ठंडा किया जा सके। यदि लेजर को थोड़े लाल रंग (redder color) की ओर ट्यून किया जाता है, तो यह वस्तु से ऊर्जा निकाल लेती है, जिससे वह ठंडी हो जाती है। यदि इसे नीले रंग (bluer color) की ओर ट्यून किया जाता है, तो यह ऊर्जा जोड़ती है, जिससे वह गर्म हो जाती है। यह नियम इतना मौलिक है कि इस पर शायद ही कभी सवाल उठाया जाता है। हालाँकि, इस गैर-परटर्बेटिव शासन में, लॉक की गई कैविटी के साथ, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब लेजर को बिल्कुल अनुनाद रंग पर ट्यून किया गया था, तब भी शून्य डिट्यूनिंग (zero detuning) के साथ महत्वपूर्ण शीतलन (cooling) हो सकता था। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि मोड के विलय से प्लेट की गति के प्रति प्रकाश की प्रतिक्रिया में एक विषमता (asymmetry) पैदा होती है। भले ही मुख्य लेजर रंग पूरी तरह से केंद्रित हो, प्लेट की गति के लिए कार्य (forces) विपरीत दिशाओं में होने वाली गतिविधियों के लिए सममित (symmetric) नहीं होते हैं। यह असंतुलन एक डैम्पिंग बल (damping force) उत्पन्न करता है जो प्लेट की तापीय थरथराहट (thermal jiggling) को धीमा कर देता है, जिससे सामान्य रंग बदलाव की आवश्यकता के बिना ही प्रभावी रूप से शीतलन होता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह प्रभाव उच्च-गुणवत्ता वाले यांत्रिक दोलनों (mechanical oscillations) की ओर ले जा सकता है, जिससे पता चलता है कि ट्रैपिंग बीम स्वयं एक शक्तिशाली कूलिंग तंत्र के रूप में कार्य कर सकती है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक विशिष्ट प्रयोग को समझने तक सीमित नहीं हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह व्यवहार केवल स्वतंत्र रूप से तैरते हुए सेंसरों के लिए अद्वितीय नहीं है; यह किसी भी पतली डाइइलेक्ट्रिक झिल्ली (membrane) पर लागू होता है जो प्रकाश मोड को पूरी तरह से पकड़ने के लिए पर्याप्त चौड़ी है, चाहे वह हवा में तैर रही हो या किसी फ्रेम द्वारा पकड़ी गई हो। मुख्य कारक सामग्री का परावर्तन (reflectivity) नहीं है, जो काफी कम हो सकता है, बल्कि यह तथ्य है कि वस्तु ऑप्टिकल फील्ड को युग्मित क्षेत्रों में विभाजित करने के लिए पर्याप्त बड़ी है। इसका अर्थ यह है कि भविष्य की तकनीकों के लिए, जैसे कि लेविटेटेड सेंसरों का उपयोग करने वाले उच्च-आवृत्ति गुरुत्वाकर्षण तरंगों के प्रस्तावित डिटेक्टर, मानक डिजाइन गणनाएं अपर्याप्त हो सकती हैं। इन उपकरणों में सेंसर केवल प्रकाश क्षेत्र में बैठे निष्क्रिय तत्व नहीं होंगे; वे ऑप्टिकल सिस्टम के अभिन्न अंग होंगे, जो उन्हीं अनुनादों को परिभाषित करेंगे जिन्हें वे मापने के लिए बनाए गए हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि वह सीमा जहाँ यह गैर-परटर्बेटिव व्यवहार शुरू होता है, आश्चर्यजनक रूप से कम है, जो प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से बहुत कम मोटाई पर घटित होता है। यह खोज इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देती है कि पतली वस्तुओं को हमेशा सरल परटर्बेशन के रूप में माना जा सकता है, जो एक समृद्ध और जटिल परिदृश्य को उजागर करती है जहाँ सेंसर और प्रकाश अटूट रूप से जुड़े हुए हैं, और सटीक माप के नियमों को नया आकार दे रहे हैं।