Time-resolved transient absorption spectroscopy with quantum light
यह शोध पत्र टाइम-रिज़ॉल्व्ड ट्रांजिएंट एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए एक पूर्ण क्वांटम सैद्धांतिक ढांचा प्रस्तुत करता है जो यह प्रदर्शित करता है कि कैसे प्रोब क्षेत्रों में क्वांटम सहसंबंध स्पेक्ट्रोस्कोपिक संकेतों को संशोधित कर सकते हैं और शास्त्रीय प्रकाश की क्षमताओं से परे अत्यंत तीव्र गतिकी को हल कर सकते हैं।
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आधुनिक भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से पदार्थ के वास्तविक समय में होने वाले परिवर्तनों को देखने के लिए 'टाइम-रिज़ॉल्व्ड ट्रांजिएंट एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी' नामक तकनीक पर भरोसा करते आए हैं। कल्पना कीजिए कि परमाणुओं या अणुओं का एक नमूना है जिसे शायद ऊर्जा के अचानक विस्फोट से विचलित कर दिया गया है, जिससे वह असंतुलन की स्थिति में चला गया है। यह समझने के लिए कि वह नमूना वापस कैसे स्थिर होता है या विकसित होता है, शोधकर्ता उस पर प्रकाश का दूसरा, कमजोर स्पंद (पल्स) डालते हैं और देखते हैं कि उससे क्या गुजरता है। इस दूसरे स्पंद के समय को बदलकर, वे नमूने की आंतरिक गतिशीलता का एक 'मूवी' बना सकते हैं। दशकों तक, इस पद्धति के पीछे के सिद्धांत ने प्रकाश को एक शास्त्रीय तरंग (क्लासिकल वेव) के रूप में माना है, जो तालाब की लहरों के समान है, जबकि पदार्थ को एक क्वांटम प्रणाली माना है। यह दृष्टिकोण मानक लेजर प्रकाश के लिए अच्छा काम करता था, जो अनुमानित व्यवहार करता है और जिसमें फोटोन की विशाल संख्या होती है। हालांकि, क्वांटम ऑप्टिक्स में हालिया प्रगति ने ऐसी प्रकाश व्यवस्था बनाना संभव बना दिया है जिसमें बहुत विशिष्ट, गैर-शास्त्रीय गुण होते हैं, जहाँ फोटोन इस तरह से एक-दूसरे से जुड़े होते हैं जिसे शास्त्रीय तरंगें नहीं दोहरा सकतीं। प्रश्न यह उठा: यदि हम साधारण लेजर प्रकाश के बजाय इस विचित्र, क्वांटम प्रकाश का उपयोग करते हैं, तो क्या हम पदार्थ में उन चीजों को देख सकते हैं जो पहले छिपी हुई थीं, या उन्हें अधिक स्पष्टता के साथ माप सकते हैं?
एरिजोना विश्वविद्यालय की एक टीम ने अब इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए इस प्रकार की स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए एक पूर्ण क्वांटम सिद्धांत विकसित करके इसे हल किया है। उन्होंने एक नया गणितीय ढांचा बनाया है जो प्रकाश और पदार्थ दोनों को समान स्तर पर क्वांटम वस्तुओं के रूप में मानता है, जो इस पुराने अनुमान से आगे बढ़ता है कि प्रकाश केवल एक शास्त्रीय तरंग है। उनका कार्य प्रकट करता है कि एक क्वांटम प्रोब क्षेत्र में प्रकाश के विभिन्न रंग एक-दूसरे के साथ किस प्रकार सह-संबंधित (कोरिलेटेड) हैं, यह सीधे तौर पर इस बात को प्रभावित करता है कि सिग्नल को कैसे पढ़ा जाता है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने दिखाया कि इन क्वांटम सहसंबंधों को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, लक्ष्य के अवशोषण स्पेक्ट्रम (एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रम) को उन तरीकों से संशोधित करना संभव है जो शास्त्रीय प्रकाश के साथ बिल्कुल असंभव हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि जबकि साधारण लेजर प्रकाश नमूने में क्वांटम गति को प्रकट कर सकता है, लेकिन यदि प्रकाश में स्वयं सही आंतरिक संरचना की कमी है, तो वह हमेशा उस गति की पूरी लय को पकड़ नहीं सकता है।
शोधकर्ताओं ने अपने सिद्धांत का परीक्षण परमाणुओं के एक सिम्युलेटेड सिस्टम का उपयोग करके किया जिसमें विशिष्ट ऊर्जा स्तर थे, जो एक आयनित आर्गन परमाणु के व्यवहार की नकल करते हैं। उन्होंने पहले यह देखा कि क्या होता है जब प्रोब लाइट "इनकोहेरेंट" (असंगत) होती है, जिसका अर्थ है कि पल्स के भीतर विभिन्न रंगों का आपस में कोई निश्चित संबंध नहीं होता है, ठीक वैसे ही जैसे लोगों की एक भीड़ अलग-अलग दिशाओं में बिना किसी साझा योजना के चलती है। इस परिदृश्य में, भले ही नमूने के भीतर परमाणु एक समन्वित, लयबद्ध तरीके से चल रहे थे, परिणामी सिग्नल स्थिर और अपरिवलापशील दिखाई दिया। इनकोहेरेंट लाइट परमाणु के भीतर इलेक्ट्रॉन घनत्व के सूक्ष्म, तेज़ दोलनों (ऑसिलेशन्स) को पकड़ने में विफल रही। हालांकि, जब उन्होंने एक "कोहेरेंट" (सुसंगत) प्रोब का उपयोग किया, जहाँ प्रकाश के विभिन्न रंग एक-दूसरे के साथ तालमेल में बंधे थे, तो तस्वीर नाटकीय रूप से बदल गई। सिग्नल लगभग 23.4 फेम्टोसेकंड के अंतराल पर दोलन करने लगा, जो इलेक्ट्रॉन की गति की प्राकृतिक लय से पूरी तरह मेल खाता था। इसने सिद्ध कर दिया कि लक्ष्य की छिपी हुई क्वांटम गतिशीलता को एक दृश्य सिग्नल में बदलने के लिए प्रकाश की सुसंगतता (कोहेरेंस) आवश्यक है।
इस विचार को और आगे बढ़ाते हुए, टीम ने यह पता लगाने की कोशिश की कि क्या वे "स्क्वीज़्ड" (सकुंचित) प्रकाश का उपयोग करके मानक सुसंगत प्रकाश से भी बेहतर प्रदर्शन कर सकते हैं, जो एक विशेष क्वांटम अवस्था है जहाँ प्रकाश के गुणों की अनिश्चितता को पुनर्वितरित किया जाता है ताकि बीम के विभिन्न हिस्सों के बीच मजबूत सहसंबंध बनाए जा सके। उन्होंने एक मानक सुसंगत पल्स और एक स्क्वीज़्ड वैक्यूम पल्स के बीच तुलना स्थापित की, यह सुनिश्चित करते हुए कि दोनों में फोटोन की सटीक संख्या और रंगों का समान प्रसार हो। मानक सुसंगेंट लाइट में, सिग्नल दोलन कर रहा था, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि स्क्वीज़्ड लाइट ने काफी बड़े आयाम (एम्प्लीट्यूड) के साथ दोलन उत्पन्न किए। इसका अर्थ है कि सिग्नल बैकग्राउंड शोर के मुकाबले अधिक स्पष्ट रूप से उभर कर आया, जिससे परमाणु के तीव्र परिवर्तनों का पता लगाना आसान हो गया। इस सुधार की कुंजी स्क्वीज़्ड लाइट में मौजूद "एनोमलस कोरिलेशन" (विलक्षण सहसंबंध) थी, जो फोटोन के बीच एक ऐसा संबंध है जिसका शास्त्रीय भौतिकी में कोई समकक्ष नहीं है। इन सहसंबंधों ने प्रोब को लक्ष्य के साथ इस तरह से बातचीत करने की अनुमति दी जिससे लक्ष्य की आंतरिक गति के संकेत को बढ़ाया जा सके।
इन निष्कर्षों से अल्ट्राफास्ट विज्ञान के लिए एक नया मार्ग प्रशस्त होता है, जहाँ माप की गुणवत्ता इस बात से सीमित नहीं होती कि प्रकाश का पल्स कितना छोटा है, बल्कि इस बात से होती है कि उस पल्स के भीतर फोटोन एक-दूसरे से कितने सह-संबंधित हैं। अपने सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने ऐसे प्रोब पल्स का उपयोग किया जो वास्तव में मापे जा रहे घटना से लंबे थे, फिर भी प्रकाश में मौजूद क्वांटम सहसंबंधों ने एक फेम्टोसेकंड से भी कम समय की गतिशीलता को हल करने की अनुमति दी। इसका तात्पर्य यह है कि वैज्ञानिकों को प्रकृति की सबसे तेज़ घटनाओं को देखने के लिए असंभव रूप से छोटे पल्स उत्पन्न करने की आवश्यकता नहीं हो सकती है; इसके बजाय, वे लंबे पल्स का उपयोग कर सकते हैं जिन्हें आवश्यक जानकारी ले जाने के लिए "क्वांटम-इंजीनियर्ड" किया गया हो। यह कार्य भविष्य के प्रयोगों के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है, जो सुझाव देता है कि प्रकाश के क्वांटम गुणों को अनुकूलित करके, शोधकर्ता पदार्थ के मौलिक विकास को देखने के लिए संवेदनशीलता और नियंत्रण के नए स्तरों को अनलॉक कर सकते हैं।
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