Two-Dimensional Quantum Droplets in a Mixture of Bose-Einstein Condensates

ब्रह्मांड के सबसे ठंडे छोरों में, जहाँ परमाणु इतने धीरे चलते हैं कि वे एक एकल, विशाल तरंग की तरह व्यवहार करने लगते हैं, भौतिकविदों ने पदार्थ की एक अजीब नई अवस्था की खोज की है। कल्पना कीजिए कि पानी की एक बूंद जो फैलने से इनकार कर देती है, अंतरिक्ष के निर्वात में बिना किसी पात्र के अपना आकार बनाए रखती है। यह एक क्वांटम ड्रॉपलेट (quantum droplet) है, परमाणुओं का एक स्व-बद्ध समूह जो उन बलों के बीच एक नाजुक खींचतान के कारण अस्तित्व में रहता है जो आमतौर पर चीजों को बिखेर देते हैं। एक तरफ, परमाणु एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं, एक सूक्ष्म बिंदु में सिमटने की कोशिश करते हैं। दूसरी ओर, एक सूक्ष्म क्वांटम प्रभाव वापस धकेलता है, जो पतन को रोकता है और बूंद को स्थिर करता है। जबकि वैज्ञानिकों ने इन ड्रॉपलेट्स को त्रि-आयामी स्थान और लंबी, पतली रेखाओं में देखा है, समतल, द्वि-आयामी दुनिया एक रहस्य बनी रही। यह इस पहेली का एक लापता हिस्सा था कि जब पदार्थ को एक पतली चादर में दबा दिया जाता है, तो वह कैसे व्यवहार करता है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ भौतिकी के नियम आश्चर्यजनक तरीकों से बदल जाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब उस अंतर को भर दिया है, पहली बार इन द्वि-आयामी क्वांटम ड्रॉपलेट्स को बनाया और देखा है। शून्य पूर्णता (absolute zero) के करीब ठंडे किए गए पोटेशियम परमाणुओं के साथ काम करते हुए, वैज्ञानिकों ने लेजर बीम के एक ग्रिड का उपयोग करके उन्हें एक चपटे, पैनकेक जैसे आकार में कैद किया। फिर उन्होंने परमाणुओं की परस्पर क्रियाओं में हेरफेर किया, एक प्रतिकर्षण बल को एक कोमल आकर्षण में बदल दिया जो परमाणुओं को एक साथ खींचने के लिए पर्याप्त मजबूत था, लेकिन इतना भी नहीं कि वे एक-दूसरे से टकरा जाएं। इस विशिष्ट सेटअप में, परमाणुओं ने एक स्थिर, स्व-निहित तरल का निर्माण किया जो स्वतंत्र रूप से तैर रहा था। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये चपटे ड्रॉपलेट्स उल्लेखनीय रूप से मजबूत थे, जो एक चौथाई सेकंड से अधिक समय तक जीवित रहे, जो अति-शीतल परमाणुओं की दुनिया में एक अनंत काल के समान है। इस दीर्घायु ने उन्हें ड्रॉपलेट्स का विस्तार से अध्ययन करने की अनुमति दी, जिससे पता चला कि वे स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में अस्तित्व में रह सकते हैं, अन्य समान अवस्थाओं के विपरीत जो अविश्वसनीय रूप से नाजुक हैं और केवल एक सटीक बिंदु पर मौजूद होती हैं।

यह सिद्ध करने के लिए कि उन्होंने वास्तव में एक नए प्रकार की वस्तु बनाई है, टीम ने अपने क्वांटम ड्रॉपलेट्स की तुलना टाउंस सॉलिटन (Townes soliton) के रूप में ज्ञात एक अन्य प्रसिद्ध स्व-बद्ध अवस्था से की। सॉलिटन भी परमाणुओं की स्थिर तरंगें हैं, लेकिन उन्हें बनाए रखना अत्यंत कठिन है; वे केवल तभी अस्तित्व में रहते हैं जब परमाणुओं की संख्या और उनके आकर्षण की शक्ति एक पूर्ण, महत्वपूर्ण संतुलन के लिए ट्यून की जाती है। यदि आप कुछ ही परमाणु जोड़ते या हटाते हैं, तो सॉलिटन बिखर जाता है। इसके विपरीत, शोधकर्ताओं द्वारा बनाए गए क्वांटम ड्रॉपलेट्स कहीं अधिक उदार थे। वे तब भी स्थिर रहे जब परमाणुओं की संख्या या आकर्षण की शक्ति में महत्वपूर्ण बदलाव हुआ। यह अंतर द्वि-आयामी स्थान में पदार्थ के व्यवहार में एक मौलिक बदलाव को उजागर करता है: क्वांटम उतार-चढ़ाव जो ड्रॉपलेट्स को स्थिर करते हैं, वे एक कुशन (cushion) प्रदान करते हैं जो प्रणाली को सांस लेने की अनुमति देता है, जबकि सॉलिटन के पास ऐसा कोई बफर नहीं होता।

इस प्रयोग में चरणों का एक सटीक क्रम शामिल था। वैज्ञानिकों ने पोटेशियम परमाणुओं के एक बादल से शुरुआत की और एक एकॉर्डियन जैसी ऑप्टिकल लैटिस (optical lattice) का उपयोग करके उन्हें एक एकल क्षैतिज परत में संकुचित किया, जो लेजर बीम के हस्तक्षेप से बनी एक संरचना है जो फ्लैट ट्रैप की एक श्रृंखला बनाती है। एक बार जब परमाणु इस पतली चादर में सीमित हो गए, तो शोधकर्ताओं ने चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करके यह नियंत्रित किया कि परमाणु एक-दूसरे के साथ कैसे क्रिया करते हैं। दो अलग-अलग स्पिन अवस्थाओं के मिश्रण में परमाणुओं को बदलकर, उन्होंने उस क्वांटम प्रभाव को सक्रिय किया जिसने ड्रॉपलेट को स्थिर किया। उन्होंने एक अलग विन्यास का भी परीक्षण किया, जिसमें एक ही प्रकार के परमाणु का उपयोग करके नाजुक टाउंस सॉलिटन बनाए गए, जो उनके नए ड्रॉपलेट्स के अद्वितीय गुणों की पुष्टि करने के लिए एक नियंत्रण (control) के रूप के रूप में कार्य करते थे। परिणामों ने दिखाया कि जबकि सॉलिटन अस्थिर और अल्पकालिक थे जब तक कि उन्हें पूरी तरह से ट्यून न किया जाए, क्वांटम ड्रॉपलेट्स मजबूत और लंबे समय तक चलने वाले थे।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक इन नए ड्रॉपलेट्स का आकार और जीवनकाल था। शोधकर्ताओं ने उन्हें 250 मिलीसेकंड से अधिक समय तक एकजुट रहने देखा, जो त्रि-आयामी स्थान में देखे गए समान ड्रॉपलेट्स की तुलना में लगभग दस गुना अधिक अवधि है। इस विस्तारित जीवन ने उन्हें ड्रॉपलेट्स के विकास को देखने और उनकी स्थिरता की पुष्टि करने के लिए पर्याप्त समय दिया। उन्होंने यह भी पाया कि ड्रॉपलेट्स के अस्तित्व के लिए परमाणुओं का एक आदर्श अनुपात में मिश्रित होना आवश्यक नहीं था। प्रारंभिक सिद्धांतों ने सुझाव दिया था कि ड्रॉपलेट बनाने के लिए दो प्रकार के परमाणुओं का एक बहुत ही विशिष्ट अनुपात में मौजूद होना आवश्यक है, लेकिन टीम ने पाया कि ड्रॉपलेट्स तब भी बन और स्थिर रह सकते हैं जब मिश्रण अत्यधिक असंतुलित हो। यह लचीलापन बताता है कि ये द्वि-आयामी तरल पदार्थ पहले की तुलना में अधिक मजबूत और बहुमुखी रूप में हैं।

इन स्थिर, चपटे ड्रॉपलेट्स को बनाने की क्षमता निम्न-आयामी प्रणालियों के भौतिकी में एक नया द्वार खोलती है। क्योंकि परमाणु एक पतली सतह में सीमित हैं, इसलिए क्वांटм बल जो उन्हें एक साथ थामे रखते हैं, वे त्रि-आयामी दुनिया की तुलना में अलग व्यवहार करते हैं। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि इस चपटी ज्यामिति में ड्रॉपलेट को स्थिर करने वाला क्वांटम सुधार का विशिष्ट रूप इसके त्रि-आयामी समकक्ष से भिन्न है, जिससे ये अद्वितीय गुण उत्पन्न होते हैं। यह कार्य न केवल द्वि-आयामी क्वांटम ड्रॉपलेट्स के अस्तित्व की पुष्टि करता है, बल्कि यह अन्वेषण के लिए एक मंच भी प्रदान करता है कि जब पदार्थ को एक शीट में दबा दिया जाता है तो वह कैसे व्यवहार करता है। यह सुझाव देता है कि प्रणाली की विमा (dimensionality) को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक ऐसी नई अवस्थाओं तक पहुँच सकते हैं जिनके गुण बल्क सामग्रियों (bulk materials) में नहीं पाए जा सकते, जो क्वांटम तरल पदार्थों की मौलिक प्रकृति पर एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है।