Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days
यह शोध पत्र ऑप्टिकल फ्लाईव्हील्स और एक ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी स्टैंडर्ड का उपयोग करके तीन समानांतर ऑल-ऑप्टिकल टाइम स्केल्स के निर्माण और 20-दिवसीय निरंतर संचालन को प्रदर्शित करता है, जो पारंपरिक मेसर-आधारित प्रणालियों की तुलना में बेहतर अल्पकालिक स्थिरता और 100 पिकोसेकंड से कम का कुल समय अंतर प्राप्त करते हैं, जो ऑप्टिकल टाइमकीपिंग के भविष्य का मार्ग प्रशस्त करते हैं।
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पूर्ण टिक (Tick) की दौड़
कल्पना कीजिए कि समय एक सुव्यवस्थित नदी नहीं, बल्कि नन्हे, लयबद्ध 'टिक्स' (ticks) की एक श्रृंखला है। सदियों से, मानवता इन टिक्स को गिनने के लिए एक पेंडुलम के झूलने या क्वार्ट्ज क्रिस्टल के कंपन पर निर्भर रही है। लेकिन आज हमारे पास जो सबसे सटीक घड़ियाँ हैं, वे एक अत्यंत सटीक मेट्रोनोम की तरह हैं जो केवल तभी काम करती हैं जब कोई उनके ठीक बगल में खड़ा होकर उन्हें देख रहा हो। ये "ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी स्टैंडर्ड्स" (optical frequency standards) हैं, जो समय मापने के वर्तमान चैंपियन हैं और समय को अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से गिनने के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं। हालाँकि, इनमें एक समस्या है: ये बिना ब्रेक के 24/7 नहीं चल सकते। जब ये रुक जाते हैं, तो हमें एक "फ्लाईव्हील" (flywheel)—एक बैकअप घड़ी—की आवश्यकता होती है जो मुख्य घड़ी के जागने तक लय को बनाए रखे।
वर्तमान में, वह बैकअप आमतौर पर एक हाइड्रोजन मेसर (hydrogen maser) होता है, जो रेडियो-फ्रीक्वेंसी घड़ी का एक प्रकार है। मेसर को एक भरोसेमंद, पुराने ज़माने की दादाजी वाली घड़ी (grandfather clock) के रूप में समझें: यह तब भी टिक-टिक करती रहती है जब कोई इसे देख नहीं रहा होता, लेकिन यह थोड़ी डगमगाती है और अपनी लय जल्दी खो देती है। ऑप्टिकल घड़ियाँ एक हाई-टेक डिजिटल घड़ी की तरह हैं जो एक पल के लिए तो एकदम सटीक होती हैं, लेकिन यदि लंबे समय तक अकेली छोड़ दी जाएं, तो उनकी गति भटक जाती है। भौतिक विज्ञान की दुनिया में बड़ा सवाल यह है: क्या हम एक ऐसा समयकीपिंग सिस्टम बना सकते हैं जो बैकअप के लिए भी प्रकाश की पूर्ण लय का उपयोग करे? यदि हम ऐसा कर सके, तो हम केवल समय को माप नहीं रहे होंगे; हम स्वयं 'सेकंड' को फिर से परिभाषित कर रहे होंगे, जिससे हमारी घड़ियाँ इतनी सटीक हो जाएंगी कि वे स्पेस-टाइम के झुकने या पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के सूक्ष्म बदलावों का पता लगा सकेंगी। यह वह सीमा है जहाँ वैज्ञानिक एक डगमगाती दादाजी वाली घड़ी को लेज़र-संचालित फ्लाईव्हील से बदलने की कोशिश कर रहे हैं।
20-दिवसीय लेज़र मैराथन
इस अध्ययन में, JILA, NIST और Vector Atomic के वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक साहसी विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया: क्या होगा यदि हम केवल प्रकाश का उपयोग करके एक टाइम स्केल बनाएँ? उन्होंने तीन अलग-अलग "ऑल-ऑप्टिकल" (all-optical) टाइम स्केल्स के बीच एक दौड़ आयोजित की, जिनमें से प्रत्येक एक अलग प्रकार के लेज़र-आधारित फ्लाईव्हील पर चल रहा था। इन दोनों में से दो फ्लाईव्हील क्रायोजेनिक सिलिकॉन कैविटीज़ (cryogenic silicon cavities) थे—मूल रूप से, अत्यधिक ठंडे किए गए सिलिकॉन के ब्लॉक जो लेज़र प्रकाश के लिए अत्यंत स्थिर दर्पणों के रूप में कार्य करते हैं। तीसरा एक वाणिज्यिक आयोडीन ऑप्टिकल क्लॉक था, जो लेज़र की फ्रीक्वेंसी को लॉक करने के लिए आयोडीन गैस का उपयोग करता है।
इन लेज़रों को ट्रैक पर रखने के लिए, टीम ने एक "Sr ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी स्टैंडर्ड" (स्ट्रोंटियम परमाणु घड़ी) का उपयोग एक रेफरी के रूप में किया। यह रेफरी लेज़रों की गति की जाँच करता और जब भी वह जाग रहा होता, उन्हें सही गति पर वापस लाने के लिए धीरे से धकेलता। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये लेज़र-ओनली सिस्टम बिना अलग हुए एक लंबी अवधि तक मिलकर समय बनाए रख सकते हैं।
परिणाम एक शानदार सफलता रहे। टीम ने इस प्रयोग को 20 से अधिक दिनों तक चलाया। इस दौरान, तीनों स्वतंत्र ऑप्टिकल टाइम स्केल्स अविश्वसनीय रूप से सिंक्रोनाइज़ रहे। जब उन्होंने एक लेज़र-क्लॉक द्वारा रखे गए समय की तुलना दूसरे से की, तो पूरे 20-दिवसीय कालखंड में अंतर 100 पिकोसेकंड (यानी 0.0000000001 सेकंड) से भी कम था। इसे समझने के लिए, यदि ये घड़ियाँ ब्रह्मांड की आयु तक चल रही होतीं, तब भी वे एक सेकंड से भी कम के अंतर से ही भटकतीं।
अध्ययन में पाया गया कि इन ऑल-ऑप्टिकल सिस्टम्स ने कुछ दिनों के औसत के बाद ही 10⁻¹⁶ से बेहतर स्थिरता (कि वे कितनी डगमगाते हैं) प्राप्त कर ली। यह पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में काफी तेज़ है जो हाइड्रोजन मेसर्स का उपयोग करती हैं, जिन्हें समान स्तर की सटीकता तक पहुँचने में हफ्तों लग जाते। यहाँ तक कि जब "रेफरी" (स्ट्रोंटियम क्लॉक) ने ब्रेक लिया—कभी-कभी लगभग 6 घंटे के लिए—तब भी ऑप्टिकल फ्लाईव्हील्स ने इतनी स्थिर लय बनाए रखी कि वे केवल 20 पिकोसेकंड ही भटके। टीम ने यह भी सत्यापित किया कि वे इन अत्यंत तीव्र ऑप्टिकल टिक्स को उन रेडियो फ्रीक्वेंसी (100 MHz) में परिवर्तित कर सकते हैं जिनका हमारे वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक्स उपयोग करते हैं, और इस प्रक्रिया में उनकी उस अविश्वसनीय सटीकता का कोई नुकसान नहीं हुआ।
यह शोध पत्र स्पष्ट रूप रूप से इस विचार का खंडन करता है कि हमें दीर्घकालिक समयकीपिंग के बैकबोन के रूप में हाइड्रोजन मेसर्स पर निर्भर रहना ही होगा। वे दिखाते हैं कि मेसर्स बहुत अधिक "शोर" (jitter) पैदा करते हैं और ऑप्टिकल फ्लाईव्हील्स न केवल संभव हैं, बल्कि अल्पकालिक स्थिरता के लिए श्रेष्ठ भी हैं। जबकि यह अध्ययन पुष्टि करता है कि ये सिस्टम काम करते हैं और स्थिर हैं, यह नोट करता है कि वैश्विक मानक बनने के लिए, हमें अधिक विश्वसनीय ऑप्टिकल क्लॉक्स की आवश्यकता है जो और भी उच्च "अपटाइम" (कम डाउनटाइम) के साथ चल सकें और समय सिग्नल साझा करने के लिए बेहतर लंबी दूरी के फाइबर नेटवर्क की आवश्यकता है। लेकिन फिलहाल के लिए, यह प्रयोग सिद्ध करता है कि एक भविष्य जहाँ हमारा समय पूरी तरह से प्रकाश द्वारा संचालित होगा, वह केवल एक सपना नहीं है, बल्कि एक वास्तविकता है जिसे हम आज माप सकते हैं।
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