Trapping of nanofabricated SiO high-aspect-ratio discs in an optical lattice
यह शोध पत्र वैक्यूम में अनुकूलित उच्च-आस्पेक्ट-अनुपात वाले सिलिकॉन डाइऑक्साइड डिस्क के सफल नैनोफैब्रिकेशन, उच्च-दक्षता लोडिंग और ऑप्टिकल ट्रैपिंग की रिपोर्ट करता है, जो उच्च-आवृत्ति गुरुत्वाकर्षण तरंगों के पता लगाने और संवेदनशील त्वरणमापी (एक्सेलेरोमेट्री) के लिए उपयुक्त कणों को बनाने हेतु एक स्केलेबल विधि का प्रदर्शन करता है।
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आधुनिक भौतिकी के शांत कोनों में, शोधकर्ता छोटी से छोटी चीजों को बिना छुए हवा में थामना सीख रहे हैं। लेविटेटेड ऑप्टोमैकेनिक्स (levitated optomechanics) के रूप में ज्ञात यह क्षेत्र, सूक्ष्म वस्तुओं को निर्वात (vacuum) में लटकाने के लिए प्रकाश के कोमल धक्के का उपयोग करता है, जिससे उन्हें अपने आस-पास की दुनिया के कंपन और ऊष्मा से अलग रखा जा सके। इन वस्तुओं को लेजर के साथ फँसाकर, वैज्ञानिक अविश्वसनीय सटीकता के साथ बलों को माप सकते हैं, जिससे ब्रह्मांड की सबसे हल्की फुसफुसाहटों की खोज की जा सके, जैसे कि दूरस्थ ब्रह्मांडीय घटनाओं के कारण अंतरिक्ष-समय (space-time) में उत्पन्न होने वाली लहरें। वर्षों से, यह कार्य सूक्ष्म गोलों पर निर्भर रहा है, जैसे कि सूक्ष्म मार्बल्स, क्योंकि वे आसानी से बनाए जा सकते हैं और प्रकाश की एक किरण में पकड़े जा सकते हैं। हालाँकि, गुरुत्वाकर्षण तरंगों की उच्चतम आवृत्तियों का पता लगाने या अल्ट्रा-सेंसिटिव त्वरणांक (accelerometers) के रूप में कार्य करने के लिए, वैज्ञानिकों को विभिन्न आकारों की वस्तुओं की आवश्यकता होती है—विशेष रूप से, चपटे, डिस्क जैसे ढांचे जो प्रकाश के साथ अनूठे तरीकों से परस्पर क्रिया कर सकें। चुनौती यह रही है कि इन चपटे डिस्क को सटीक आकार और आकृति में बनाना कठिन है, और पुराने तरीकों से कुछ ही डिस्क को ट्रैप में पकड़ना लगभग असंभव साबित हुआ है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उन्नत विनिर्माण (advanced manufacturing) को ट्रैप में कणों को लोड करने के एक नाजुक नए तरीके के साथ जोड़कर इस समस्या को हल कर दिया है। उन्होंने लाखों छोटे सिलिकॉन डाइऑक्साइड डिस्क बनाए, जिनमें से प्रत्येक दस माइक्रोमीटर चौड़ी और चार सौ नैनोमीटर मोटी थी, जो एक 'टॉप-डाउन' प्रक्रिया का उपयोग करके बनाई गई थी जो कंप्यूटर चिप्स को सिलिकॉन वेफर्स पर बनाने के समान है। रासायनिक समाधानों से उगाए गए गोलों के विपरीत, जिनकी आकार और घनत्व अक्सर भिन्न होता है, ये डिस्क एकसमान और सटीक रूप से इंजीनियर की गई हैं। सफलता केवल उन्हें बनाने में नहीं है, बल्कि उन्हें ट्रैप में डालने में है। कणों के बादल को छिड़कने और उम्मीद करने के बजाय कि कोई एक पकड़ा जाएगा, टीम ने एक विशेष माइक्रोपिपेट (micropipette) का उपयोग किया, जो एक सूक्ष्म ड्रॉपर जैसा उपकरण है, जिससे उन्होंने केवल कुछ ही डिस्क को उठाया। फिर उन्होंने इन कुछ कणों को, जो कभी-कभी केवल पांच या दस होते थे, सीधे लेजर प्रकाश की एक खड़ी तरंग (standing wave) में लॉन्च किया। यह तरीका अत्यधिक कुशल साबित हुआ, जिससे वे व्यक्तिगत रूप से एक-एक करके डिस्क को सफलतापूर्वक फँसाने में सक्षम हुए, जो ऐसे विशिष्ट, वेफर-स्केल निर्मित ऑब्जेक्ट्स के लिए पहले पहुंच से बाहर था।
एक बार फंस जाने के बाद, शोधकर्ताओं ने डिस्क की गति को देखा, और उनके व्यवहार को समझने के लिए उनकी कंपन को सुना। डिस्क केवल स्थिर नहीं रहीं; वे लेजर बीम और आसपास की गैस के जवाब में डगमगाती और घूमती रहीं। इन गतिविधियों की ध्वनि का विश्लेषण करके, टीम ने गति के विशिष्ट पैटर्न की पहचान की: डिस्क का आगे-पीछे, दाएं-बाएं और ऊपर-नीचे खिसकना, साथ ही उनके किनारों पर डगमगाना। उन्होंने पाया कि डिस्क के चपटे आकार ने उन्हें गोलों की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया, जिसमें कुछ गतियां दूसरों की तुलना में बहुत तेज हुईं। टीम ने यह भी परीक्षण किया कि चैंबर के भीतर गैस के दबाव को समायोजित करने पर ये गतियां कैसे बदलती हैं। उन्होंने पाया कि वायु प्रतिरोध के कारण डिस्क की गति धीमी होने की दर एक चपटी डिस्क के अनुमानों से मेल खाती है, जिससे पुष्टि हुई कि उनके सैद्धांतिक मॉडल सही थे। हालांकि उन्होंने कुछ अप्रत्याशित कंपन भी देखे जो मानक पैटर्न में फिट नहीं बैठते थे, उन्होंने निर्धारित किया कि ये डिस्क के स्वतंत्र रूप से घूमने के कारण नहीं थे, बल्कि संभवतः डिस्क के किनारों पर सूक्ष्म खामियों या उनके आकार में मामूली विविधताओं के कारण थे।
इस कार्य का महत्व केवल एक एकल डिस्क को फँसाने की तत्काल सफलता से कहीं अधिक है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि कस्टम-मेड कणों के बहुत कम संख्या में ऑप्टिकल ट्रैप को लोड करना संभव है, जो उन प्रयोगों के द्वार खोलता है जिनमें विशिष्ट ज्यामिति (geometries) की आवश्यकता होती है। यह उच्च-आवृत्ति वाली गुरुत्वाकर्षण तरंगों के भविष्य के डिटेक्टरों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जहाँ वस्तु का आकार यह तय कर सकता है कि सिग्नल सुनाई देगा या पूरी तरह से छूट जाएगा। टीम ने यह भी दिखाया कि वे लेजर से फीडबैक का उपयोग करके डिस्क की गति को ठंडा (cool) कर सकते हैं, जो मौलिक भौतिकी के प्रयोगों के लिए आवश्यक अत्यधिक संवेदनशीलता तक पहुँचने के लिए एक आवश्यक कदम है। यह सिद्ध करके कि इन उच्च-आस्पेक्ट-रेशियो (high-aspect-ratio) डिस्क को उच्च दक्षता के साथ बनाया, लोड और फँसाया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने वैज्ञानिक समुदाय को एक नया उपकरण प्रदान किया है। उन्होंने दिखाया है कि ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म बलों का पता लगाने का मार्ग केवल एक गोले की सरलता में नहीं, बल्कि प्रकाश में थामे गए एक चपटे, इंजीनियर किए गए डिस्क की सटीकता में निहित है।
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