Two-photon Doppler-free spectroscopy of the Rydberg transition for quantum sensing in ytterbium
यह शोध पत्र इटरबियम में रिडबर्ग संक्रमण के लिए टू-फोटॉन डॉप्लर-मुक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी के सैद्धांतिक गणनाओं और प्रयोगात्मक प्रदर्शन की रिपोर्ट करता है, जो बाहरी विक्षोभों के प्रति इसकी अद्वितीय असंवेदनशीलता और घड़ियों, इलेक्ट्रोमीटर और थर्मामीटर जैसे क्वांटम सेंसिंग अनुप्रयोगों में इसकी संभावित उपयोगिता को रेखांकित करता है।
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परमाणु पदार्थ के मौलिक निर्माण खंड हैं, लेकिन सही परिस्थितियों में, उन्हें अपने ही विशाल, नाजुक संस्करणों की तरह व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। जब एक परमाणु ऊर्जा अवशोषित करता है, तो इसका एक इलेक्ट्रॉन नाभिक से बहुत दूर जा सकता है, जिससे परमाणु सामान्य से हजारों गुना बड़े आकार तक खिंच जाता है। इन खिंचे हुए परमाणुओं को रिडबर्ग अवस्थाएं (Rydberg states) कहा जाता है। क्योंकि वे इतने बड़े और संवेदनशील होते हैं, वे विद्युत क्षेत्रों, चुंबकीय क्षेत्रों और यहाँ तक कि उस अदृश्य ऊष्मा विकिरण के प्रति भी तीव्र प्रतिक्रिया करते हैं जो हर कमरे में भरा होता है। यह संवेदनशीलता उन्हें नए प्रकार के सेंसर बनाने के लिए उत्कृष्ट उम्मीदवार बनाती है जो अभूतपूर्व सटीकता के साथ तापमान, वोल्टेज या समय को माप सकें। हालाँकि, एक बड़ी बाधा हमेशा यह रही है कि गर्म गैस में मौजूद परमाणु तेजी से चलते हैं, और उनकी यह गति मापों को धुंधला कर देती है, ठीक वैसे ही जैसे तेज़ गति से गाड़ी चलाते समय किसी साइन बोर्ड को पढ़ने की कोशिश करना। वैज्ञानिक लंबे समय से इस गति को रोकने का एक तरीका खोज रहे थे, जिसके लिए आमतौर पर परमाणुओं को परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा करने वाले जटिल उपकरणों की आवश्यकता होती है।
नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी और यूनिवर्सिटी ऑफ कोलोराडो के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यिट्रियमबियम (ytterbium) नामक एक विशिष्ट प्रकार के परमाणु का उपयोग करके एक चतुर समाधान प्रदर्शित किया है। उन्होंने परमाणु के भीतर होने वाली एक विशेष छलांग पर ध्यान केंद्रित किया, जो तब होती है जब परमाणु एक ही समय में दो फोटॉन को अवशोषित करता है। विपरीत दिशाओं में यात्रा करने वाली दो लेजर बीमों का उपयोग करके, वे परमाणुओं की गति के धुंधले प्रभाव को रद्द करने में सक्षम रहे, जिससे वे परमाणुओं को ठंडा किए बिना भी परमाणु संक्रमण को अत्यधिक स्पष्टता के साथ देख सके। अध्ययन की गई विशिष्ट छलांग में एक इलेक्ट्रॉन का परमाणु की ग्राउंड स्टेट से एक उच्च-ऊर्जा रिडबर्ग अवस्था (जिसे 6s2 3s 1S0 के रूप में जाना जाता है) में जाना शामिल है। इस खोज की महत्वपूर्ण बात यह है कि यह विशेष परमाणु पथ स्वाभाविक रूप से उन विकलपों से मुक्त है जो आमतौर पर ऐसे सटीक मापों को खराब कर देते हैं, जैसे कि चुंबकीय क्षेत्रों या परमाणुओं के घनत्व के कारण होने वाले बदलाव।
शोधकर्ताओं ने सबसे पहले इस विशिष्ट रिडबर्ग अवस्था के गुणों की गणना की ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह सेंसिंग के लिए उपयोगी होगी। उन्होंने पाया कि यिट्रियमबियम के ऊर्जा स्तर एक अनूठे तरीके से व्यवस्थित हैं जो इस दो-फोटॉन छलांग को अपेक्षाकृत कम शक्ति वाले लेजर के साथ संभव बनाता है। अन्य उच्च-ऊर्जा अवस्थाओं के विपरीत, जो अपने वातावरण में सूक्ष्म परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील होती हैं, यह अवस्था उल्लेखनीय रूप से स्थिर है। यह अधिकांश परमाणुओं की तरह चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में आने पर विस्थापित नहीं होती है, और यह पास के परमाणुओं की भीड़ से भी कम प्रभावित होती है। टीम ने यह भी गणना की कि यह अवस्था ब्लैकबॉडी रेडिएशन (blackbody radiation) के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देगी, जो सभी वस्तुओं द्वारा उत्सर्जित होने वाली मंद तापीय चमक है। उन्होंने पाया कि यह विशिष्ट अवस्था उस तापीय चमक के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है, जो इसे अविश्वसनीय सटीकता के साथ तापमान मापने वाले थर्मामीटर का एक संभावित उम्मीदवार बनाती है। इसके अलावा, उन्होंने निर्धारित किया कि यह अवस्था क्षय (decay) होने से पहले आश्चर्यजनक रूप से लंबे समय तक—लगभग 1.8 माइक्रोसेकंड—जीवित रहती है, जो मापों में उच्च सटीकता प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है।
इन सैद्धांतिक लाभों को वास्तविक दुनिया में सिद्ध करने के लिए, टीम ने इस संक्रमण को सीधे देखने के लिए एक प्रयोग बनाया। उन्होंने यिट्रियमबियम परमाणुओं की एक बीम का उपयोग किया और उन पर विपरीत दिशाओं से दो लेजर बीमें छोड़ीं। लेजर को एक विशिष्ट आवृत्ति पर ट्यून किया गया था जो परमाणुओं को केवल तभी उत्तेजित करेगा यदि दोनों फोटॉन एक साथ पहुँचें। यह पता लगाने के लिए कि क्या किसी परमाणु ने छलांग लगाई है, शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग तरीकों का उपयोग किया। एक विधि में, उन्होंने चुंबकीय ट्रैप से परमाणुओं के गायब होने को देखा, जो यह दर्शाता था कि वे रिडबर्ग अवस्था में उत्तेजित हो गए थे और अब ट्रैप द्वारा पकड़े नहीं जा रहे थे। दूसरी विधि में, उन्होंने उन परमाणुओं को देखा जो एक लंबी अवधि वाली, अदृश्य अवस्था में क्षय हो गए थे जिसे बाद में गिना जा सकता था। तीसरी विधि में, उन्होंने उत्तेजित परमाणुओं के सामान्य अवस्था में वापस गिरने पर निकलने वाली मंद प्रकाश की चमकों को एकत्र किया। तीनों विधियों ने पुष्टि की कि संक्रमण को स्पष्ट रूप से देखा जा सकता था, जिसमें परमाणुओं की गति प्रभावी रूप से रद्द हो गई थी।
प्रयोग का सबसे महत्वपूर्ण परिणाम उनके द्वारा देखे गए सिग्नल की तीक्ष्णता (sharpness) थी। उनके द्वारा मापे गए स्पेक्ट्रल लाइन की चौड़ाई, जो उत्तेजित अवस्था के जीवनकाल को दर्शाती है, लगभग 90 किलोहर्ट्ज़ पाई गई। यह संकीर्णता 1.8 माइक्रोसेकंड के जीवनकाल को दर्शाती है, जो उनके सैद्धांतिक अनुमानों से मेल खाती है। यह एक साधारण दो-लेजर सेटअप का उपयोग करके रिडबर्ग अवस्था के संक्रमण के लिए हल की गई अब तक की सबसे संकीर्ण ऑप्टिकल विशेषता है, जो पहले उपयोग की जाने वाली अधिक जटिल तीन-लेजर रणनीतियों से भी बेहतर प्रदर्शन करती है। शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि जब उन्होंने लेजर की शक्ति बदली तो संक्रमण आवृत्ति कैसे बदल गई, जिससे उन्हें यह समझने में मदद मिली कि प्रकाश स्वयं माप को कैसे बाधित कर सकता है। उन्होंने पाया कि हालांकि लेजर प्रकाश एक बदलाव (shift) पैदा करता है, लेकिन यह एक पूर्वानुमेय प्रभाव है जिसे प्रबंधित किया जा सकता है।
यह कार्य यिट्रियमबियम परमाणुओं का विभिन्न व्यावहारिक सेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयोग करने का मार्ग खोलता है। चूंकि यह संक्रमण प्रथम-क्रम के चुंबकीय बदलावों से मुक्त है और परमाणु घनत्व के प्रति कम संवेदनशीलता रखता है, इसलिए यह एक नए प्रकार की परमाणु घड़ी का आधार बन सकता है जो वैक्यूम और लेजर कूलिंग की आवश्यकता के बजाय गर्म गैस में संचालित होती है। इसका उपयोग विद्युत क्षेत्रों को उच्च सटीकता के साथ मापने के लिए इलेक्ट्रोमीटर के रूप में, या ब्लैकबॉडी रेडिएशन के सूक्ष्म प्रभाव का पता लगाकर परिवेश के तापमान को मापने वाले थर्मामीटर के रूप में भी किया जा सकता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण क्वांटम सेंसर के डिजाइन को सरल बना सकता है, जिससे वे विशेष प्रयोगशालाओं के बाहर तैनात करने के लिए अधिक मजबूत और आसान बन जाएंगे। हालांकि सिद्धांत को प्रदर्शित करने के लिए प्रयोग लेजर-कूल्ड परमाणुओं के साथ किया गया था, लेकिन यह तकनीक गर्म परमाणु वाष्प (warm atomic vapors) के साथ भी संगत है, जो यह सुझाव देती है कि भविष्य के उपकरण जटिल कूलिंग सिस्टम की आवश्यकता के बिना बनाए जा सकते हैं। टीम ने इस विशिष्ट परमाणु संक्रमण की अद्वितीय स्थिरता का लाभ उठाकर दुनिया को पहले से कहीं अधिक स्पष्टता के साथ मापने के लिए एक नए वर्ग के सेंसर की नींव रखी है।
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