A compact six-beam 3D magneto-optical trap based on multifunctional metasurface chips

यहाँ वर्णित कार्य को समझने के लिए, व्यक्ति को सबसे पहले मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप (magneto-optical trap) की अवधारणा को समझना होगा, जो एक ऐसा उपकरण है जो परमाणुओं के लिए एक 'होल्डिंग पेन' (पकड़ने वाले घेरे) के रूप में कार्य करता है। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिकों को परमाणुओं के व्यवहार का अध्ययन करने या उन्नत कंप्यूटिंग और सेंसिंग के लिए उनका उपयोग करने हेतु उन्हें लगभग स्थिर अवस्था में धीमा करने की आवश्यकता होती है। कमरे के तापमान पर, परमाणु प्रति सेकंड सैकड़ों मीटर की गति से इधर-उधर दौड़ते हैं, जिससे उन्हें सटीक रूप से पकड़ना या मापना असंभव हो जाता है। उन्हें रोकने के लिए, शोधकर्ता लेजर बीम और चुंबकीय क्षेत्रों के एक विशिष्ट विन्यास (arrangement) का उपयोग करते हैं। कल्पना कीजिए कि एक गेंद ढलान से नीचे लुढ़क रही है; यदि आप उसे रोकना चाहते हैं, तो आप उसे ढलान के ऊपर वापस धकेल सकते हैं। इस परमाणु संस्करण में, लेजर बीम को इस तरह ट्यून किया जाता है कि जब कोई परमाणु किसी बीम की ओर बढ़ता है, तो वह प्रकाश से एक हल्के धक्के को महसूस करता है, जिससे उसकी गति धीमी हो जाती है। जब इसे एक ऐसे चुंबकीय क्षेत्र के साथ जोड़ा जाता है जो स्थान के अनुसार अपनी शक्ति बदलता है, तो यह एक ऐसा बल बनाता है जो किसी भी भटकते हुए परमाणु को केंद्र की ओर धकेलता है, जिससे वह एक छोटे, अत्यंत ठंडे बादल में फंस जाता है। यह सेटअप, जिसे थ्री-डायमेंशनल मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप के रूप में जाना जाता है, क्वांटम प्रयोगों के लिए परमाणुओं को तैयार करने के लिए एक मानक उपकरण है। हालाँकि, इसे बनाने के लिए पारंपरिक रूप से दर्पणों, लेंसों और वेव प्लेट्स के एक बड़े, नाजुक विन्यास की आवश्यकता होती है, जिन्हें खुले स्थान में अत्यधिक सटीकता के साथ संरेखित (align) किया जाता है। यह भारीपन इस तकनीक को पोर्टेबल उपकरणों, जैसे कि जहाज या उपग्रह पर नेविगेशन के लिए आवश्यक उपकरणों के लिए छोटा करने में कठिन बनाता है।

त्सिंहहुआ विश्वविद्यालय और बेइहांग विश्वविद्यालय, चीन की एक टीम ने अब इस जटिल प्रणाली को एक कॉम्पैक्ट, एकीकृत मॉड्यूल में सिकोड़ने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। अलग-अलग ऑप्टिकल घटकों के विस्तृत संग्रह के बजाय, उन्होंने एक मुख्य असेंबली बनाई है जो एक बड़े जूते के डिब्बे के आकार के आयतन (लगभग 73 x 73 x 107 मिलीमीटर) में समा सकती है। इस नए उपकरण का हृदय दो विशेष चिप्स हैं, जिन्हें मेटासरफेस (metasurfaces) कहा जाता है, जिन पर सूक्ष्म संरचनाएं उकेरी गई हैं जो प्रकाश को एक साथ कई तरीकों से नियंत्रित करने में सक्षम हैं। एक पारंपरिक सेटअप में, एक एकल लेजर बीम को अपनी दिशा बदलने, उसे फैलाने और उसकी ध्रुवीकरण (polarization - प्रकाश की तरंगों का अभिविन्यास) को समायोजित करने के लिए विभिन्न लेंसों और दर्पणों की एक श्रृंखला से गुजरना पड़ता है। इन शोधकर्ताओं ने उस पूरी घटकों की श्रृंखला को एक एकल सपाट सतह से बदल दिया है। जब एक लेजर बीम उनके चिप के एक विशिष्ट स्थान पर टकराती है, तो सतह पर मौजूद सूक्ष्म पैटर्न तुरंत बीम को मोड़ देते हैं, उसे फैला देते हैं और उसके ध्रुवीकरण को एक साथ घुमा देते हैं।

शोधकर्ताओं ने इन चिप्स को छह-बीम ट्रैप की विशिष्ट आवश्यकताओं को संभालने के लिए डिज़ाइन किया है। एक मानक ट्रैप को परमाणुओं को अपनी जगह पर बनाए रखने के लिए विपरीत दिशाओं से आने वाली तीन बीम जोड़ियों की आवश्यकता होती है। उनके सिस्टम में, दो फाइबर-ऑटिक केबल चिप्स तक लेजर प्रकाश पहुँचाते हैं, जो एक छोटे वैक्यूम चैंबर के ऊपर और नीचे स्थित होते हैं। प्रत्येक चिप में तीन अलग-अलग ज़ोन होते हैं। जैसे ही प्रकाश इन ज़ोन से गुजरता है, चिप्स आने वाली बीम को छह अलग-अलग रास्तों में बदल देते हैं। दो चिप्स मिलकर तीन बीम ऊपर की ओर और तीन नीचे की ओर जाने के लिए मिलकर कार्य करते हैं। ये बीम फिर वैक्यूम चैंबर के चारों ओर रखे गए छोटे, कॉम्पैक्ट दर्पणों द्वारा परावर्तित होते हैं, जो उन्हें चैंबर के ठीक केंद्र में केंद्रित होने के लिए निर्देशित करते हैं। यह पूरा विन्यास सुनिश्चित करता है कि छह बीम एक ही बिंदु पर मिलें जहाँ चुंबकीय क्षेत्र शून्य होता है, जिससे परमाणुओं को फँसाने के लिए आदर्श स्थितियाँ बनती हैं। वैक्यूम चैंबर स्वयं एक नियमित षट्कोणीय प्रिज्म (hexagonal prism) के आकार का है, जो एक ज्यामितीय विकल्प है जो दर्पणों को कांच की दीवारों के करीब रखने की अनुमति देता है ताकि दृश्य बाधित न हो, और यह सुनिश्चित होता है कि प्रकाश स्वतंत्र रूप से प्रवेश और बाहर निकल सके।

अपने प्रयोगों में, टीम ने इस कॉम्पैक्ट सिस्टम का उपयोग रुबिडियम परमाणुओं को फँसाने के लिए किया, जो क्वांटम अनुसंधान में एक सामान्य तत्व है। उन्होंने डिवाइस को एक ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से पहुँचाए गए लेजर बीम से लोड किया, जिसने सेटअप को स्थिर बनाया और पारंपरिक प्रणालियों में अक्सर आवश्यक होने वाले थकाऊ पुन: संरेखण (realignment) के बिना संचालित करना आसान बना दिया। एक बार जब लेजर और चुंबकीय क्षेत्र सक्रिय हो गए, तो सिस्टम ने सफलतापूर्वक 1.3 मिलियन से अधिक परमाणुओं को कैप्चर और ठंडा किया। शोधकर्ताओं ने परमाणुओं के इस बादल का तापमान लगभग 183 माइक्रोकेलविन मापा, जो इस प्रकार की कूलिंग विधि के सैद्धांतिक सीमा से थोड़ा ही ऊपर है। यह परिणाम सिद्ध करता है कि मेटासरफेस चिप्स एक बहुत बड़े, अधिक जटिल ऑप्टिकल सिस्टम के सभी आवश्यक कार्यों को निष्पादित कर सकते हैं। टीम ने पाया कि चिप्स से गुजरने वाला प्रकाश ट्रैप बनाए रखने के लिए पर्याप्त कुशल था, जिसमें बीम परमाणु बादल को प्रभावी ढंग से कवर करने के लिए सही आकार में फैल गई थी।

इस कार्य का महत्व एक नाजुक, कमरे के आकार की ऑप्टिकल टेबल को एक मजबूत, आत्मनिर्भर इकाई से बदलने की इसकी क्षमता में निहित है। प्रकाश-हेरफेर करने वाले कार्यों को सीधे एक चिप पर एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने कई अलग-अलग घटकों की आवश्यकता को समाप्त कर दिया है जो गलत संरेखण के प्रति संवेदनशील होते हैं। यह सिस्टम पूरी तरह से फाइबर-कपल्ड (fiber-coupled) है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश केबल के माध्यम से प्रवेश करता है और बाहर निकलता है, जो बाहरी लेजरों के साथ कनेक्शन को सरल बनाता है और स्थिरता को बढ़ाता है। हालांकि शोधकर्ताओं ने नोट किया कि चिप्स के निर्माण में मामूली अंतर के कारण विभिन्न नमूनों के बीच प्रदर्शन में मामूली भिन्नता हुई, लेकिन उन्होंने पाया कि इन अंतरों को इनपुट पावर को समायोजित करके आसानी से प्रबंधित किया जा सकता है। टीम ने यह भी देखा कि प्राप्त तापमान इस कूलिंग तकनीक की मौलिक सीमा के बहुत करीब था, जो यह सुझाव देता है कि ट्रैप की गुणवत्ता उच्च है। यह दृष्टिकोण केवल मौजूदा उपकरण का छोटा संस्करण ही नहीं प्रदान करता है; यह क्वांटम उपकरणों को बनाने का एक नया तरीका प्रदर्शित करता है जो बड़े पैमाने पर उत्पादन के अनुकूल है। इन चिप्स को बनाने के लिए मानक विनिर्माण तकनीकों का उपयोग करके, अब इन कॉम्पैक्ट ट्रैप्स की बड़ी संख्या में उत्पादन का मार्ग प्रशस्त हो गया है, जिससे उपग्रहों या वाहनों जैसे वातावरण में, जहाँ स्थान और स्थिरता अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्वांटम सेंसर और कंप्यूटरों की तैनाती संभव हो सकती है।