Generation and spectroscopic characterization of continuous-wave 148.4-nm light in strontium tetraborate

परमाणु के भीतर, नाभिक आमतौर पर एक भारी, सुस्त लंगर की तरह व्यवहार करता है, जो अपने चारों ओर घूमते इलेक्ट्रॉनों की उन्मत्त गतिविधि को काफी हद तक अनदेखा कर देता है। लेकिन थोरियम-229 के रूप में ज्ञात थोरियम के दुर्लभ समस्थानिक (आइसोटोप) में, नाभिक एक रहस्य छिपाए रखता है: इसमें एक अत्यंत सूक्ष्म, कम ऊर्जा वाली अवस्था होती है जिसे प्रकाश द्वारा प्रेरित किया जा सकता है। यह संक्रमण प्रकाश के एक विशिष्ट रंग पर होता है जो मानव आँख के लिए अदृश्य है, जो वैक्यूम अल्ट्रावाइलेट (निर्वात पराबैंगनी) रेंज में स्थित है। क्योंकि यह नाभिकीय छलांग परमाणु के बाहरी खोल के अव्यवस्थित वातावरण से इतनी अलग-थलग है, इसलिए यह कल्पना की जा सकती है सबसे स्थिर, सटीक 'टिक' (गति) का वादा करती है। यदि वैज्ञानिक एक ऐसा क्लॉक (घड़ी) बना सकें जो इन नाभिकीय टिकों को गिनती है, तो यह आज की सर्वश्रेष्ठ परमाणु घड़ियों से कहीं अधिक सटीक होगी, जो समय को मापने, दुनिया भर में नेविगेट करने और भौतिकी के मौलिक नियमों का परीक्षण करने के तरीके में क्रांति ला सकती है। पेच यह है कि इस नाभिकीय छलांग को सक्रिय करने के लिए आवश्यक प्रकाश को उत्पन्न करना अत्यंत कठिन है और इसे मापना उससे भी अधिक कठिन है, क्योंकि यह हमारे आसपास की हवा द्वारा आसानी से सोख लिया जाता है और इसके लिए विशेष क्रिस्टल की आवश्यकता होती है।

चीन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जिसमें उन्होंने इस मायावी प्रकाश की एक स्थिर किरण बनाई है और इसका अध्ययन करने के लिए एक कस्टम टूल तैयार किया है। उन्होंने 148.4 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) पर प्रकाश उत्पन्न करने पर ध्यान केंद्रित किया, जो थोरियम-229 संक्रमण को संचालित करने के लिए आवश्यक सटीक आवृत्ति है। इसे करने के लिए, उन्होंने स्ट्रोंटियम टेट्राबोरेट से बने एक क्रिस्टल का उपयोग किया, जो एक ऐसा पदार्थ है जो प्रकाश को कुशलतापूर्वक परिवर्तित करने के लिए अपनी आंतरिक संरचना को स्वाभाविक रूप से संरेखित नहीं करता है। क्रिस्टल को पूरी तरह से संरेखित करने के लिए मजबूर करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल के भीतर छोटे क्षेत्रों की यादृच्छिक, अराजक व्यवस्था पर काम करने के लिए भरोसा किया। उन्होंने क्रिस्टल में 296.8 नैनोमीटर पर पराबैंगनी प्रकाश की एक शक्तिशाली किरण छोड़ी। जैसे ही यह प्रकाश विकृत आंतरिक संरचना से गुजरा, इसका एक छोटा सा हिस्सा उनकी आवश्यक छोटी, उच्च-ऊर्जा वाली 148.4 नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य में परिवर्तित हो गया। इस प्रक्रिया को 'रैंडम क्वासी-फेज मैचिंग' कहा जाता है, जिसने उन्हें इस कार्य के लिए आमतौर पर आवश्यक जटिल, पूर्ण संरेखण की आवश्यकता के बिना लक्षित प्रकाश की एक निरंतर धारा उत्पन्न करने की अनुमति दी।

उन्होंने वास्तव में क्या बनाया था, इसे समझने के लिए, टीम ने एक कॉम्पैक्ट स्पेक्ट्रोमीटर बनाया, जो एक ऐसा उपकरण है जिसे प्रकाश के विभिन्न रंगों को अलग करने और उनकी तीव्रता को मापने के लिए डिज़ाइन किया गया है। चूंकि लक्षित प्रकाश हवा में ऑक्सीजन द्वारा इतनी आसानी से अवशोषित किया जाता है, इसलिए पूरे ऑप्टिकल पथ को शुष्क नाइट्रोजन से भरे कक्ष के भीतर सील कर दिया गया था। उन्होंने बीम को मोड़ने के लिए कैल्शियम फ्लोराइड से बने एक प्रिज्म का उपयोग किया, जो इस गहरे पराबैंगनी प्रकाश के लिए पारदर्शी है। चूंकि लक्षित प्रकाश मूल पंप प्रकाश की तुलना में अधिक तीव्रता से मुड़ता है, इसलिए प्रिज्म ने उन्हें दो अलग रेखाओं में फैला दिया। दर्पणों और एक संकीर्ण स्लिट द्वारा चमकीले पंप प्रकाश से सुरक्षित एक संवेदनशील डिटेक्टर ने उस कोण पर स्कैन किया जहाँ नया प्रकाश दिखाई दिया। इस सेटअप ने शोधकर्ताओं को यह पुष्टि करने की अनुमति दी कि उनके द्वारा उत्पन्न प्रकाश वास्तव में सही तरंग दैर्ध्य का था और उनकी शक्ति को उच्च सटीकता के साथ मापने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि उनके द्वारा उत्पन्न प्रकाश पंप प्रकाश से एक स्पष्ट अंतर द्वारा अलग था, जिससे सिद्ध हुआ कि उनकी विधि ने वांछित सिग्नल को अत्यधिक बैकग्राउंड शोर से सफलतापूर्वक अलग कर दिया।

मापन से पता चला कि उत्पन्न प्रकाश की मात्रा इस बात पर बहुत निर्भर करती है कि क्रिस्टल के साथ कैसा व्यवहार किया जाता है। जब शोधकर्ताओं ने इनपुट लेजर की शक्ति को बदला, तो नए प्रकाश का आउटपुट एक अनुमानित, द्विघातीय (क्वाड्रेटिक) फैशन में बढ़ा, जिससे पुष्टि हुई कि यह प्रक्रिया एक वास्तविक फ्रीक्वेंसी डबलर के रूप में काम कर रही थी। हालांकि, सबसे आश्चर्यजनक खोज तब हुई जब उन्होंने तापमान के प्रभाव को देखा। उन्हें उम्मीद थी कि क्रिस्टल एक विशिष्ट, सुचारू तापमान शिखर पर सबसे अधिक प्रकाश उत्पन्न करेगा। इसके बजाय, उन्हें शिखरों और घाटियों का एक ऊबड़-खाबड़ परिदृश्य मिला। जब उन्होंने क्रिस्टल को कमरे के तापमान से लगभग 52 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, तो प्रकाश का आउटपुट कई बार ऊपर और नीचे गया, जिसमें 34, 42 और 47 डिग्री पर स्पष्ट अधिकतम मान दिखाई दिए, जो कुछ ही डिग्री की दूरी पर तीक्ष्ण गिरावट से अलग थे। इसका अर्थ है कि क्रिस्टल एक एकल, समान परिवर्तक नहीं है, बल्कि कई छोटे, स्वतंत्र परिवर्तकों का एक संग्रह है, जिनमें से प्रत्येक अलग-अलग तापमान के प्रति प्रतिक्रिया करता है। यदि तापमान केवल कुछ डिग्री भी बदल जाता है, तो आउटपुट एक अधिकतम से न्यूनतम में गिर सकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि लंबे समय तक संपर्क में रहने पर क्रिस्टल नाजुक हो जाता है। जब उन्होंने कई घंटों तक वैक्यूम में प्रयोग चलाया, तो क्रिस्टल धीरे-धीरे पीला-भूरा हो गया, जो एक संकेत था कि तीव्र प्रकाश इसकी संरचना को नुकसान पहुँचा रहा है और ऐसे दोष पैदा कर रहा है जो प्रकाश को अवशोषित करते हैं। इस "रंग बदलने" के प्रभाव ने उपयोग योग्य प्रकाश की मात्रा को कम कर दिया। नाइट्रोजन वातावरण में स्विच करके, उन्होंने क्रिस्टल को इस तीव्र क्षरण से बचाया, जिससे अधिक स्थिर संचालन संभव हुआ। उनकी सर्वोत्तम स्थितियों में, क्रिस्टल को उसके इष्टतम तापमान पर रखने के साथ, स्रोत ने 148.4 नैनोमीटर पर लगभग 5.7 नैनोवाट की शक्ति उत्पन्न की। हालांकि प्रकाश की यह मात्रा अविश्वसनीय रूप से मंद है—मानव आँख के लिए देखने के लिए बहुत धुंधली है—लेकिन यह थोरियम नाभिक की जांच करने के नाजुक कार्य के लिए पर्याप्त है। अध्ययन इस निष्कर्ष पर पहुँचता है कि भविष्य के न्यूक्लियर क्लॉक को काम करने के लिए, प्रकाश स्रोत को केवल एक स्थिर तापमान पर नहीं रखा जा सकता है; इसे सटीक रूप से उन विशिष्ट तापमान शिखरों में से एक पर लॉक किया जाना चाहिए, और क्रिस्टल को लंबे समय तक विकिरण के हानिकारक प्रभावों से बचाया जाना चाहिए। ये निष्कर्ष उस व्यावहारिक रोडमैप को प्रदान करते हैं जिसकी आवश्यकता दुनिया की सबसे सटीक घड़ी को जीवित करने के लिए आवश्यक प्रकाश स्रोतों को स्थिर और अनुकूलित करने हेतु है।