Weak-Strong Steady-State Microbunching Accelerator Light Source

प्रकाश लंबे समय से अदृश्य को देखने के लिए मानवता का सबसे शक्तिशाली उपकरण रहा है, पहले आवर्धक लेंस (magnifying glass) से लेकर सबसे उन्नत सूक्ष्मदर्शी तक, जो परमाणुओं की संरचना को प्रकट करते हैं। इस क्षमता के केंद्र में कण त्वरक (particle accelerators) नामक मशीनें हैं, जो इलेक्ट्रॉनों को प्रकाश की गति के लगभग बराबर घुमाकर उन्हें तेजी से दौड़ाती हैं। जैसे-जैसे ये इलेक्ट्रॉन दौड़ते हैं, वे प्रकाश की चमक उत्सर्जित करते हैं। इन इलेक्ट्रॉनों के पथ को सावधानीपूर्वक आकार देकर, वैज्ञानिक इस प्रकाश को एक शानदार, केंद्रित किरण में बदल सकते हैं जो वायरस की इमेजिंग करने, नई दवाओं को डिजाइन करने या पदार्थ की मौलिक संरचना का अध्ययन करने में सक्षम है। दशकों से, इन प्रकाश स्रोतों में से सबसे शक्तिशाली दो अलग-अलग दृष्टिकोणों पर निर्भर रहे हैं: विशाल रैखिक मशीनें (linear machines) जो इलेक्ट्रॉनों को एक एकल, उच्च-ऊर्जा विस्फोट में छोड़ती हैं, या गोलाकार रिंग जहाँ इलेक्ट्रॉन घंटों तक घूमते रहते हैं और लगातार प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। दोनों की अपनी ताकत है, लेकिन जब औद्योगिक या चिकित्सा उपयोग के लिए आवश्यक उच्च औसत शक्ति के साथ लघु तरंग दैर्ध्य (wavelength), जैसे कि एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट या एक्स-रे, उत्पन्न करने की बात आती है, तो दोनों एक कठिन सीमा का सामना करते हैं।

चुनौती स्वयं इलेक्ट्रॉनों की प्रकृति में निहित है। एक मानक गोलाकार मशीन में, इलेक्ट्रॉन एक सुचारू, निरंतर प्रवाह में चलते हैं, जैसे पाइप से बहता पानी। प्रकाश को अधिक उज्ज्वल और सुसंगत (coherent) बनाने के लिए—जिसका अर्थ है कि तरंगें बिल्कुल एक ही ताल में चलें—वैज्ञानिकों को इलेक्ट्रॉनों को घने, छोटे समूहों (clusters) में समूहित करने की आवश्यकता होती है। वांछित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य जितनी छोटी होगी, ये समूह उतने ही छोटे होने चाहिए, जो कुछ नैनोमीटर के आकार तक सिमट जाते हैं। इस स्तर का संगठन प्राप्त करने के लिए आमतौर पर अत्यधिक ऊर्जा या जटिल, एक-बार के सेटअप की आवश्यकता होती है जिन्हें निरंतर बनाए नहीं रखा जा सकता। 'स्टेडी-स्टेट माइक्रोबंचिंग' (steady-state microbunching) नामक एक आशाजनक विचार उभरा है, जो यह सुझाव देता है कि इन छोटे समूहों को एक गोलाकार रिंग में निरंतर बनाया और बनाए रखा जा सकता है, लेकिन सबसे छोटी तरंग दैर्ध्य के लिए इसे काम करने योग्य बनाने के पिछले प्रयासों में ऐसे लेजर पावर स्तरों की मांग की गई जो वर्तमान में एक व्यावहारिक मशीन में संभव नहीं हैं।

त्सिंहुआ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बाधा को पार करने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जो एक ऐसा प्रकाश स्रोत प्रदान करने का मार्ग दिखाता है जो शक्तिशाली और टिकाऊ दोनों हो। उनका समाधान इस बात में निहित है कि रिंग के चारों ओर यात्रा करते समय इलेक्ट्रॉन बीम के हेरफेर के तरीके को कितनी चतुराई से पुनर्गठित किया जाता है। इलेक्ट्रॉनों को एक ही बार में एक एकल, अत्यधिक दबाव के साथ एक छोटे समूह में जबरदस्ती डालने के बजाय, वे एक दो-चरणीय प्रक्रिया का सुझाव देते हैं जो कोमल मार्गदर्शन और एक तीव्र, स्थानीयकृत संपीड़न (squeeze) को जोड़ती है। सबसे पहले, इलेक्ट्रॉनों को एक कमजोर, स्थिर बल द्वारा निर्देशित किया जाता है जो उन्हें छोटे समूहों की एक ट्रेन के रूप में व्यवस्थित रखता है। फिर, जैसे ही वे रिंग के एक विशिष्ट खंड से गुजरते हैं, चुंबकीय और लेजर इंटरैक्शन का एक परिष्कृत क्रम इन समूहों को एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश के लिए आवश्यक नैनोमीटर पैमाने तक संकुचित कर देता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह संपीड़न अत्यधिक बल द्वारा नहीं, बल्कि एक ऐसी विधि द्वारा किया जाता है जो इस तरह के गहन हेरफेर से होने वाले विकृतियों को रद्द कर देती है, जिससे यह प्रक्रिया बिना बीम के बिखरे हुए बिना, मोड़ दर मोड़ खुद को दोहरा सकती है।

इस नए दृष्टिकोण का मूल एक ऐसी तकनीक है जिसे लेखक "बंच्ड बीम हार्मोनिक जनरेशन" (bunched beam harmonic generation) कहते हैं। कल्पना कीजिए कि आप तालाब में पत्थर गिराकर लहरों का एक पैटर्न बनाने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप एक पत्थर गिराते हैं, तो आपको लहरों का एक सरल सेट मिलता है। यदि आप एक ऐसा पत्थर गिराते हैं जिसे पहले की लहर द्वारा पहले से ही आकार दिया गया है, तो आप बहुत अधिक जटिल, उच्च-आवृत्ति वाले पैटर्न बना सकते हैं। इस मशीन में, इलेक्ट्रॉन बीम पहले से ही समूहों (bunches) की एक ट्रेन में व्यवस्थित है। शोधकर्ता एक लेजर का उपयोग इन समूहों पर एक सूक्ष्म ऊर्जा परिवर्तन अंकित करने के लिए करते हैं, जिसके बाद एक चुंबकीय खंड उस ऊर्जा परिवर्तन को घनत्व परिवर्तन में बदल देता है। चुंबकों की शक्ति और लेजर को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे मौजूदा पैटर्न को ले सकते हैं और उसे कई गुना बढ़ा सकते हैं, जिससे मूल लेजर की आवृत्ति से दर्जनों गुना उच्च आवृत्ति पर एक घनत्व मॉड्यूलेशन (density modulation) पैदा होता है। यह उन्हें उस अत्यंत लघु पैमाने तक पहुँचने की अनुमति देता है जो कम तरंग दैर्ध्य वाले प्रकाश के लिए आवश्यक है, बिना असंभव रूप से शक्तिशाली लेजर की आवश्यकता के।

इसे एक निरंतर लूप में काम करने के लिए, टीम ने एक ऐसी रिंग डिजाइन की जहाँ इलेक्ट्रॉन बीम दो बहुत अलग वातावरणों का अनुभव करती है। रिंग का अधिकांश हिस्सा एक कोमल, कमजोर फोकसिंग ज़ोन के रूप में कार्य करता है, जो बीम को स्थिर रखता है और उसे फैलने से रोकता है। हालाँकि, 'फाइनल फोकस' नामक एक छोटे, विशेष खंड में, बीम को एक मजबूत, तीव्र संपीड़न का सामना करना पड़ता है। यहीं पर नई विधि का जादू होता है। बीम को केवल दस नैनोमीटर की लंबाई तक सिकोड़ दिया जाता है, एक ऐसा पैमाना जो एक बड़े अणु के आकार के बराबर है। इस बिंदु पर, इलेक्ट्रॉन इतने घने रूप में पैक होते हैं कि वे पूर्ण एकता में प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जिससे एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट विकिरण की एक किरण बनती है जो वर्तमान मशीनों द्वारा निरंतर रूप से उत्पन्न की जाने वाली किरणों से हजारों गुना अधिक शक्तिशाली होती है। इस तीव्र क्षेत्र से गुजरने के बाद, बीम को सावधानीपूर्वक उसकी मूल स्थिति में बहाल किया जाता है, जो अगले मोड़ पर फिर से दबने के लिए तैयार होती है।

शोधकर्ताओं ने गणना की है कि इस सिद्धांत पर बनी मशीन एक किलोवाट की शक्ति के साथ एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश की एक निरंतर किरण उत्पन्न कर सकती है। यह एक महत्वपूर्ण छलांग है, क्योंकि इस प्रकार के प्रकाश के वर्तमान स्रोत अक्सर बहुत कम शक्ति स्तरों तक सीमित होते हैं या छोटे, पल्स वाले विस्फोटों में संचालित होते हैं। प्रस्तावित डिजाइन 600 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट की बीम ऊर्जा और 1030 नैनोमीटर की लेजर तरंग दैर्ध्य का उपयोग करता है, जो एक परिपक्व तकनीक है जिसका उपयोग पहले से ही अन्य उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में किया जाता है। टीम का अनुमान है कि इस प्रणाली को चलाने के लिए आवश्यक लेजर को एक ऑप्टिकल कैविटी के भीतर लगभग एक मेगावाट शक्ति संग्रहीत करने की आवश्यकता होगी, जो एक महत्वाकांक्षी आंकड़ा है लेकिन वर्तमान तकनीकी क्षमताओं के दायरे में है, जबकि पिछले प्रस्तावों की गीगावाट-स्तर की आवश्यकताएं इससे भिन्न थीं।

एक उज्जवल प्रकाश स्रोत बनाने के विशिष्ट लक्ष्य से परे, यह कार्य इस बारे में सोचने का एक नया तरीका सुझाता है कि कण बीम को कैसे नियंत्रित किया जा सकता है। एक ही रिंग के भीतर बीम की लंबाई को दस लाख के कारक से सिकोड़ने की क्षमता, जबकि शेष मशीन को स्थिर रखा जाता है, अन्य प्रकार के प्रयोगों के लिए संभावनाएं खोलती है। इसी तंत्र का उपयोग विशिष्ट ऊर्जा स्तरों वाली बीम बनाने के लिए किया जा सकता है, जो गामा-रे फ्रीक्वेंसी कॉम्ब्स (gamma-ray frequency combs) उत्पन्न करने के लिए उपयोगी हो सकता है, जो सटीक माप के उपकरण हैं। इसका उपयोग बीम के लंबाई और ऊर्जा प्रसार को नियंत्रित करने के लिए भी किया जा सकता है, जैसे कि कोहेरेंट टेराहर्ट्ज़ विकिरण उत्पन्न करना या अत्यंत अल्प एक्स-रे पल्स बनाना। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि उनकी गणनाएँ विस्तृत सिमुलेशन और स्थापित भौतिक सिद्धांतों पर आधारित हैं, वास्तविक परीक्षण तब होगा जब एक भौतिक मशीन बनाई जाएगी और बीम की गतिशीलता को वास्तविक दुनिया में देखा जाएगा।

ऐसी मशीन बनाने का मार्ग बाधाओं के बिना नहीं है। टीम स्वीकार करती है कि चुंबकीय क्षेत्रों में छोटी खामियों और इलेक्ट्रॉनों के बीच की परस्पर क्रिया के कारण लेजर मॉड्यूलेशन प्रभावों का पूर्ण उन्मूलन व्यवहार में कठिन है। ये छोटी त्रुटियां बीम को गर्म कर सकती हैं या इसकी सघन संरचना को नुकसान पहुँचा सकती हैं, जिसके लिए इसे स्थिर रखने के लिए शक्तिशाली डैम्पिंग सिस्टम की आवश्यकता होगी। वे यह भी नोट करते हैं कि लेजर पल्स और इलेक्ट्रॉन बंच के आगमन के बीच के सटीक समय को अत्यंत सटीकता के साथ बनाए रखा जाना चाहिए। इन चुनौतियों के बावजूद, यह प्रस्ताव एक ऐसी मशीन के लिए एक ठोस रोडमैप प्रदान करता है जो त्वरक-आधारित प्रकाश स्रोतों के क्षेत्र में क्रांति ला सकती है। एक सैद्धांतिक अवधारणा को एक व्यावहारिक डिजाइन में बदलकर, शोधकर्ताओं ने एक नया प्रतिमान (paradigm) प्रदान किया है कि हम ब्रह्मांड के सबसे सूक्ष्म स्तरों की खोज करने के लिए प्रकाश की शक्ति का उपयोग कैसे कर सकते हैं।