Simultaneous SI-traceable measurement of the amplitude and the ellipticity of microwave fields with cold Rydberg atoms
यह शोध पत्र ठंडे रिडबर्ग परमाणुओं के ट्रैप-लॉस स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके एक SI-ट्रेसेबल विधि प्रस्तुत करता है, जो माइक्रोवेव क्षेत्र के आयाम और दीर्घवृत्ताकारता (एलिप्सिटी) को लगभग 1% सटीकता के साथ एक साथ मापने के साथ-साथ क्षेत्र के आगमन कोण को भी निकालता है।
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रेडियो तरंगों और सूक्ष्म तरंगों (माइक्रोवेव) की अदृश्य दुनिया में, वे संकेत जो हमारे डेटा को ले जाते हैं और हमारे रडार सिस्टम को निर्देशित करते हैं, उन्हें अक्सर सरल, एकसमान तरंगों के रूप में माना जाता है। हालाँकि, इन तरंगों में एक छिपी हुई जटिलता होती है: वे अंतरिक्ष में मुड़ और घूम सकती हैं, जिसे ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) नामक गुण कहा जाता है। यह समझना कि एक तरंग कितनी उन्मुख है और वह पदार्थ के विरुद्ध कितनी मजबूती से दबाव डालती है, संचार नेटवर्क में सुधार करने से लेकर हमारे पर्यावरण की निगरानी करने वाले सेंसरों को कैलिब्रेट करने तक, सब कुछ के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। दशकों से, वैज्ञानिक इन गुणों को पूर्ण सटीकता के साथ मापने का एक तरीका खोजने का प्रयास कर रहे हैं, जो समय के साथ बदलते रहने वाले नाजुक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बजाय प्रकृति के मौलिक स्थिरांकों पर निर्भर करता है। इस खोज की कुंजी स्वयं परमाणु में निहित है, विशेष रूप से एक विशेष अवस्था में जिसे 'रिडबर्ग स्टेट' कहा जाता है। जब एक परमाणु को इस अवस्था में धकेला जाता है, तो उसका बाहरी इलेक्ट्रॉन नाभिक से बहुत दूर चक्कर लगाता है, जिससे पूरा परमाणु विशाल और यहाँ तक कि सबसे सूक्ष्म विद्युत क्षेत्रों के प्रति भी अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील हो जाता है। यह संवेदनशीलता परमाणु को विद्युत क्षेत्रों के लिए एक प्राकृतिक, स्व-कैलिब्रेटिंग पैमाने में बदल देती है, जो उन्हें ऐसी सटीकता के साथ मापने में सक्षम बनाती है जो सीधे अंतर्राष्ट्रीय इकाइयों की प्रणाली (SI) से जुड़ी है।
फ्रांस के ONERA में शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इन विशाल परमाणुओं को एक दोहरे उद्देश्य वाले सेंसर के रूप में उपयोग करने की एक शक्तिशाली नई विधि प्रदर्शित की है। उन्होंने सफलतापूर्वक माइक्रोवेव क्षेत्रों की शक्ति और उनके आकार दोनों को एक साथ मापा, और ऐसी सटीकता प्राप्त की जो पहले पाना कठिन था। रेत के एक दाने के आकार के स्थान में लगभग पाँच करोड़ रुबिडियम परमाणुओं के बादल को फँसाकर, वैज्ञानिकों ने एक अत्यधिक स्थानीयकृत प्रयोगशाला बनाई जहाँ वे अत्यधिक सावधानी के साथ परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों की जांच कर सके। उन्होंने परमाणुओं को रिडबर्ग अवस्था में उठाने के लिए लेजर प्रकाश का उपयोग किया और फिर उन्हें माइक्रोवेव के संपर्क में लाया। माइक्रोवेव्स और परमाणुओं के बीच की परस्पर क्रिया के कारण ऊर्जा स्तर एक ऐसे पैटर्न में विभाजित और स्थानांतरित हुए जो पूरी तरह से माइक्रोवेव की विद्युत क्षेत्र की शक्ति और उसके ध्रुवीकरण पर निर्भर करता है। यह देखते हुए कि ट्रैप से कितने परमाणु कम हुए—एक ऐसी प्रक्रिया जो तब होती है जब आसपास के वातावरण द्वारा परमाणुओं को आयनित (आयोनाइज) कर दिया जाता है—शोधकर्ताओं ने इन ऊर्जा परिवर्तनों को उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ मैप किया।
प्रयोग ने खुलासा किया कि परमाणु तरंग की ज्यामिति के लिए एक आदर्श डिटेक्टर के रूप में कार्य करते हैं। जब माइक्रोवेव क्षेत्र पूरी तरह से रैखिक (लीनियर) था, तो परमाणुओं ने ऊर्जा स्तरों में एक सरल, दो-भागों वाला विभाजन दिखाया। जब क्षेत्र पूरी तरह से गोलाकार (सर्कुलर) था, तो पैटर्न बदलकर तीन अलग-अलग स्तरों में बदल गया। एक अंडाकार (एलिप्टिकल) तरंग के अधिक सामान्य मामले में, जो दोनों का मिश्रण है, परमाणुओं ने चार अलग-अलग ऊर्जा स्तर प्रदर्शित किए। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन स्तरों के बीच की दूरी का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करके, वे लगभग एक प्रतिशत की सटीकता के साथ विद्युत क्षेत्र की सटीक शक्ति और दीर्घवृत्ताकार (एलिप्टिसिटी) की डिग्री की गणना कर सकते थे। यह सटीकता तब भी बनी रही जब माइक्रोवेव की शक्ति अधिक थी, एक ऐसी स्थिति जो आमतौर पर बड़े सिस्टम में माप को धुंधला कर देती है। इस दृष्टिकोण की सफलता परमाणु बादल के सूक्ष्म आकार पर टिकी थी; क्योंकि बादल माइक्रोवेव की तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) की तुलना में बहुत छोटा था, इसलिए क्षेत्र पूरे समूह में एकसमान बना रहा, जिससे डेटा के उस फैलाव (स्मियरिंग) को रोका जा सका जो बड़े सेंसरों में समस्या पैदा करता है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके माप सूक्ष्म भौतिक प्रभावों से प्रभावित न हों, टीम को पड़ोसी ऊर्जा अवस्थाओं के प्रभाव को भी ध्यान में रखना पड़ा जिन्हें माइक्रोवेव्स क्षण भर के लिए छू सकते हैं, भले ही वे पूरी तरह से तालमेल में न हों। इन मामूली अंतःक्रियाओं को अपने गणनाओं में शामिल करके, वे छोटे पूर्वाग्रहों को ठीक करने में सक्षम हुए और पुष्टि की कि उनकी विधि ने क्षेत्र का एक निष्पक्ष दृश्य प्रदान किया। उन्होंने तीन अलग-अलग प्रकार के ध्रुवीकरण के साथ अपने सिस्टम का परीक्षण किया, जिसमें लगभग गोलाकार और लगभग अंडाकार तरंग शामिल थी, और पाया कि उनके सैद्धांतिक अनुमान प्रायोगिक परिणामों के लगभग पूरी तरह मेल खाते थे। एक उल्लेखनीय उदाहरण में, वे पूर्ण गोलाकार ध्रुवीकरण से एक सूक्ष्म विचलन का पता लगाने में सक्षम थे, एक ऐसा सूक्ष्म विवरण जो कम संवेदनशील उपकरणों के लिए अदृश्य होता। सूक्ष्म विवरणों को हल करने की यह क्षमता बताती है कि यह विधि उन तरंगों के बीच अंतर कर सकती है जो लगभग, लेकिन पूरी तरह से, सटीक आकार की हैं।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि परमाणुओं को उत्तेजित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले लेजर बीम की दिशा ने संकेतों की दृश्यता को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि माइक्रोवेव्स के आने का कोण क्लाउड (बादल) पर स्पेक्ट्रल विशेषताओं की स्पष्टता को प्रभावित करता है, और उनके अवलोकन सैद्धांतिक मॉडलों के साथ निकटता से मेल खाते थे। इस सहमति ने उन्हें उन संभावित कोणों का अनुमान लगाने की अनुमति दी जिस पर माइक्रोवेव्स क्लाउड से टकरा रहे थे, जिससे उनकी तकनीक की मजबूती की पुष्टि हुई। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि ठंडे, फंसे हुए परमाणुओं के समूह का उपयोग करना जटिल इलेक्ट्रॉनिक घटकों या लोकल ऑसिलेटर्स के बिना माइक्रोवेव क्षेत्रों को मापने का एक विश्वसनीय तरीका है, जो स्वयं अपनी त्रुटियां उत्पन्न कर सकते हैं। 'ऑट्लर-टाउन्स' (Autler-Townes) शासन के भीतर काम करके, जहाँ प्रकाश और परमाणुओं के बीच की अंतःक्रिया मजबूत और सुपरिभाषित होती है, टीम ने देखे गए स्पेक्ट्रल पैटर्न और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के मौलिक गुणों के बीच एक सीधा संबंध स्थापित किया।
यह कार्य क्वांटम मेट्रोलॉजी के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है, जो यह सिद्ध करता है कि रिडबर्ग परमाणु विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लक्षण वर्णन के लिए एक बहुमुखी उपकरण के रूप में कार्य कर सकते हैं। आयाम (एम्प्लीट्यूड) और दीर्घवृत्ताकार (एलिप्टिसिटी) दोनों को एक ही, कॉम्पैक्ट सेटअप में एक साथ मापने की क्षमता रडार सिस्टम और संचार उपकरणों के अधिक सटीक अंशांकन (कैलिब्रेशन) का मार्ग प्रशм करती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि माप के आयतन को छोटा रखकर और परमाणुओं को ठंडा रखकर, वे स्थानिक विषमता (स्पेशियल इनहोमोजेनिटी) की सीमाओं को पार कर सकते हैं जो अक्सर उच्च-शक्ति वाले मापों में बाधा डालती हैं। उनके निष्कर्ष बताते हैं कि यह दृष्टिकोण न केवल सटीक है बल्कि विभिन्न फ्रीक्वेंसी बैंड के लिए अनुकूल भी है, जो इसे सेंसिंग और मेट्रोलॉजी के भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है। यह अध्ययन एक स्पष्ट प्रमाण है कि परमाणुओं के क्वांटम गुणों का उपयोग विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों की अदृश्य दुनिया में झांकने के लिए किया जा सकता है, जो स्पष्टता और विश्वसनीयता का एक ऐसा स्तर प्रदान करता है जिसके लिए इलेक्ट्रॉनिक सेंसर संघर्ष करते हैं।
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