Noise Correlation Spectroscopy: A Review

एक मानक लेजर से निकलने वाला प्रकाश शायद ही कभी पूरी तरह से स्थिर होता है। भले ही चमक निरंतर दिखाई दे, लेकिन प्रकाश का रंग क्षण-दर-क्षण थोड़ा बदलता रहता है, जो आवृत्ति में एक ऐसा कंपन (jitter) है जिसे आमतौर पर अनदेखा कर दिया जाता है। परमाणु भौतिकी की दुनिया में, इस कंपन को अक्सर एक बाधा माना जाता है, एक ऐसी त्रुटि का स्रोत जो सूक्ष्म मापों को धुंधला कर देती है। हालाँकि, एक विशिष्ट प्रकार के प्रयोग ने इस दोष को एक विशेषता में बदल दिया है। एक विशेष अवस्था में तैयार परमाणुओं के बादल के माध्यम से इस कंपित प्रकाश को प्रवाहित करके, शोधकर्ता उस शोर का उपयोग कर सकते हैं जिसे वे आमतौर पर समाप्त करने की कोशिश करते हैं, ताकि यह माप सकें कि परमाणु एक-दूसरे के साथ तालमेल बनाए रखने में कितने समय तक सक्षम रहते हैं। 'नॉइज़ कोरिलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी' (noise correlation spectroscopy) नामक यह तकनीक वैज्ञानिकों को उन अदृश्य क्वांटम संबंधों को देखने की अनुमति देती है जिन्हें पारंपरिक तरीकों से नहीं मापा जा सकता।

यह कहानी परमाणुओं के एक बादल के साथ शुरू होती है, जो आमतौर पर एक कांच की सेल में रखे रुबिडियम (rubidium) होते हैं। इन परमाणुओं के ऊर्जा स्तर सीढ़ी के डंडों की तरह कार्य करते हैं। जब वैज्ञानिक परमाणुओं पर प्रकाश की दो किरणें डालते हैं, तो वे परमाणुओं को ऐसी अवस्था में धकेल सकते हैं जहाँ वे एक ही समय में दो निचली ऊर्जा स्तरों के सुपरपोजिशन (superposition) में मौजूद होते हैं। यह एक सुसंगत अवस्था (coherent state) है, एक नाजुक संरेखण जहाँ परमाणु व्यक्तिगत संग्रह के बजाय एक एकल, एकीकृत प्रणाली के रूप में व्यवहार करते हैं। इस अवस्था में, परमाणु प्रकाश के प्रति पारदर्शी हो जाते हैं, जिसे 'इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली इंड्यूस्ड ट्रांसपेरेंसी' (electromagnetically induced transparency) कहा जाता है। समस्या यह है कि इस पारदर्शिता को मापने के लिए आमतौर पर बहुत कमजोर प्रकाश की आवश्यकता होती है ताकि परमाणुओं को बाधित न किया जाए, जिससे संकेत (signal) देखना कठिन हो जाता है। यदि संकेत स्पष्ट करने के लिए प्रकाश को अधिक चमकीला बनाया जाता है, तो परमाणु अपनी नाजुक अवस्था से बाहर निकल जाते हैं, जिससे माप धुंधला हो जाता है। इस विरोधाभास ने लंबे समय से वैज्ञानिकों को इन परमाणु प्रणालियों का अध्ययन करने की सटीकता को सीमित किया है।

एक बड़ी सफलता तब मिली जब शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि वे संकेत के बजाय शोर को सुन सकते हैं। उन्होंने एक एकल लेजर का उपयोग किया और उसकी किरण को दो पथों में विभाजित किया, दोनों को एक ही परमाणु बादल के माध्यम से भेजा। चूंकि दोनों किरणें एक ही स्रोत से आई थीं, इसलिए वे बिल्कुल समान आवृत्ति कंपन (frequency jitter) लेकर चलती थीं। जैसे ही किरणें परमाणुओं से गुजरती हैं, परमाणु इस अदृश्य आवृत्ति शोर को दृश्य चमक के उतार-चढ़ाव में बदल देते हैं। मुख्य खोज यह थी कि दोनों किरणों के चमक के उतार-चढ़ाव के बीच का संबंध परमाणुओं की अवस्था के आधार पर बदल जाता है। जब परमाणु पूरी तरह से संरेखित होते हैं, तो दोनों किरणें पूर्ण सामंजस्य में चमकती और मंद होती हैं। लेकिन जब शोधकर्ता परमाणुओं को थोड़ा विसंरेखित करने के लिए एक सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं, तो किरणें विपरीत दिशाओं में उतार-चढ़ाव करने लगती हैं: जैसे ही एक चमकदार होती है, दूसरी मंद हो जाती है।

यह एक साथ चलने से विपरीत दिशा में जाने का बदलाव ही इस नई तकनीक का मूल है। यह स्विच किस बिंदु पर होता है, यह लेजर की शक्ति या प्रकाश के रंग द्वारा निर्धारित नहीं होता, बल्कि इस बात से निर्धारित होता है कि परमाणु अपने तालमेल की स्थिति को कितनी तेजी से खोते हैं। तालमेल खोने की यह दर, जिसे 'डिकोहेरेंस' (decoherence) कहा जाता है, वह महत्वपूर्ण जानकारी है जिसे वैज्ञानिक मापना चाहते हैं। पारंपरिक तरीकों में, बेहतर संकेत प्राप्त करने के लिए लेजर की शक्ति बढ़ाने से माप धुंधला हो जाता है, जिससे रेजोनेंस (resonance) चौड़ा और कम सटीक हो जाता है। हालाँकि, यह नई विधि एक ऐसा रेजोनेंस उत्पन्न करती है जो लेजर की शक्ति बढ़ने पर भी तीक्ष्ण बना रहता है। सहसंबंध (correlation) से प्रति-सहसंबंध (anti-correlation) में यह संक्रमण चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति के एक बहुत ही संकीर्ण दायरे में होता है, जो पारंपरिक तरीकों से मापे गए पारदर्शिता विंडो से लगभग चार गुना अधिक संकीर्ण है। यह तीक्ष्णता परमाणु गुणों का अधिक सटीक निर्धारण करने की अनुमति देती है।

शोधकर्ताओं ने एक सैद्धांतिक मॉडल विकसित किया कि यह क्यों होता है। उन्होंने लेजर के आवृत्ति कंपन को परमाणुओं पर कार्य करने वाले एक यादृच्छिक, गुणक बल (multiplicative force) के रूप में माना। उनके गणनाओं ने दिखाया कि सहसंबंध में परिवर्तन का कारण परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों के भरने में एक विशिष्ट असंतुलन है। जब परमाणु पूरी तरह से ट्यून होते हैं, तो जनसंख्या संतुलित होती है, और किरणें एक साथ उतार-चढ़ाव करती हैं। जब चुंबकीय क्षेत्र संतुलन को बदल देता है, तो जनसंख्या असंतुलित हो जाती है, जो किरणों को विपरीत दिशाओं में उतार-चढ़ाव करने के लिए मजबूर करती है। इस मॉडल ने भविष्यवाणी की कि इस स्विचिंग कर्व की चौड़ाई केवल उस दर पर निर्भर करेगी जिस पर परमाणु सुसंगतता (coherence) खोते हैं, न कि उन्हें चलाने वाले लेजर की शक्ति पर।

प्रयोगों ने इन भविष्यवाणियों की पुष्टि की। एक मानक एक्सटर्नल-कैविटी डायोड लेजर और रुबिडियम वाष्प वाली सेल का उपयोग करते हुए, टीम ने दो प्रसारित किरणों के तीव्रता उतार-चढ़ाव को मापा। उन्होंने पाया कि शून्य चुंबकीय क्षेत्र पर, सहसंबंध मजबूत और सकारात्मक था। जैसे-जैसे उन्होंने चुंबकीय क्षेत्र बढ़ाया, सहसंबंध गिरा, शून्य को पार किया और दृढ़ता से नकारात्मक हो गया। इस संक्रमण की चौड़ाई वास्तव में पारंपरिक पारदर्शिता सिग्नल से बहुत कम थी और लेजर शक्ति बढ़ाने पर भी स्थिर रही। डेटा सैद्धांतिक वक्र से इतनी अच्छी तरह मेल खाया कि शोधकर्ता केवल एक एकल स्केलिंग फैक्टर का उपयोग करके डिकोहेरेंस दर निकाल सके, बिना अन्य चरों जैसे कि लेजर की शक्ति या परमाणुओं की विशिष्ट क्षय दरों के लिए समायोजन किए।

इस तकनीक का विस्तार अब केवल रुबिडियम वाष्प तक सीमित नहीं है। इसका परीक्षण चुंबकों द्वारा पकड़े गए ठंडे परमाणुओं के बादलों में किया गया है, जहाँ गर्मी और गति की अनुपस्थिति मापों को और भी स्वच्छ बनाती है। इसे बफर गैसों से भरी सेल में भी लागू किया गया है, जिनका उपयोग वाणिज्यिक परमाणु घड़ियों में परमाणु अवस्था के जीवन को बढ़ाने के लिए किया जाता है। इस पद्धति को कई प्रकार के प्रकाश बीमों और विभिन्न प्रकार के परमाणुओं, जिनमें ठोस क्रिस्टल और हीरा शामिल हैं, वाले अधिक जटिल प्रणालियों के लिए भी अनुकूलित किया गया है। प्रत्येक मामले में, मूल सिद्धांत वही रहता है: लेजर का शोर, जो कभी एक बाधा था, अब परमाणुओं के अदृश्य क्वांटम नृत्य को मापने के लिए एक सटीक पैमाना बन गया है।

इसकी सफलता के बावजूद, इस विधि की सीमाएँ हैं। तीक्ष्ण रेजोनेंस की स्थिरता इस बात पर निर्भर करती है कि लेजर की शक्ति एक निश्चित सीमा के भीतर हो; बहुत कम शक्ति होने पर, सिग्नल ड्राइव स्ट्रेंथ पर निर्भर हो जाता है, जबकि बहुत अधिक शक्ति अंततः नए विकृतियाँ पैदा कर सकती है। इस तकनीक के लिए बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों से सावधानीपूर्वक सुरक्षा की भी आवश्यकता होती है, क्योंकि मामूली बाहरी क्षेत्र भी माप को धुंधला कर सकते हैं। इसके अलावा, जबकि सिद्धांत आदर्श स्थितियों में पूरी तरह से काम करता है, गर्म वाष्प में परमाणुओं की गति और लेजर के स्वयं के अवशिष्ट शोर जैसे वास्तविक दुनिया के कारक तस्वीर को जटिल बना सकते हैं। शोधकर्ता बताते हैं कि हालांकि इस पद्धति का विभिन्न सेटिंग्स में प्रदर्शन किया गया है, फिर भी इसे परमाणु घड़ियों जैसे वाणिज्यिक उपकरणों में डिकोहेरेंस मापने के लिए एक मानक उपकरण के रूप में अभी तक नहीं अपनाया गया है, आंशिक रूप से इसलिए क्योंकि इसके लिए एक विशिष्ट प्रयोगात्मक ज्यामिति की आवश्यकता होती है जो मानक सेटअप से भिन्न है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल परमाणुओं को मापने से कहीं आगे तक विस्तृत हैं। क्वांटम सुसंगतता कब खो जाती है, उस सटीक क्षण का पता लगाने की क्षमता क्वांटम मेमोरी जैसी तकनीकों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जहाँ सूचना को परमाणुओं की अवस्था में संग्रहीत किया जाता है, और अल्ट्रा-प्रिसिजन मैग्नेटोमीटर के लिए भी, जो मानव मस्तिष्क या पृथ्वी के कोर के सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगा सकते हैं। त्रुटि के स्रोत को मापन के उपकरण में बदलकर, नॉइज़ कोरिलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी परमाणुओं के क्वांटम जगत को देखने का एक नया तरीका प्रदान करती है। यह दर्शाता है कि सही संदर्भ में, हमारे उपकरणों की अपूर्णता प्रकृति के बारे में उनकी पूर्णता से कहीं अधिक प्रकट कर सकती है। यह तकनीक परमाणु सुसंगतता की मौलिक सीमाओं की जांच करने के लिए एक शक्तिशाली, यदि विशिष्ट, विधि बनी हुई है, जो ऐसे मापन का मार्ग प्रशस्त करती है जो पारंपरिक स्पेक्ट्रोस्कोपी की तुलना में अधिक तीक्ष्ण और अधिक सुदृढ़ हैं।