Retrieving Vortex-Driven Non-Hermiticity from Trajectory-Resolved Measurements in Optical Levitation
यह शोध पत्र प्रयोगात्मक रूप से यह प्रदर्शित करता है कि कैसे प्रक्षेपवक्र-वियोजित (trajectory-resolved) मापों का विश्लेषण करके ऑप्टिकली लेविटेटेड सिस्टम में नॉन-हर्मिटीन आइगनमोड्स और बल परिदृश्यों (force landscapes) को पुनर्गठित किया जा सकता है, जो यह प्रकट करता है कि नॉन-हर्मिटीसिटी सिंगल-पार्टिकल ट्रैप्स में वास्तविक बल-क्षेत्र भंवरों (force-field vortices) और मल्टी-पार्टिकल असेंबली में आभासी चरण-स्थान भंवरों (virtual phase-space vortices) से उत्पन्न होती है।
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एक सदी से अधिक समय से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि प्रकाश संवेग (momentum) ले जाता है, जो पदार्थ पर एक ऐसा बल लगा सकता है जो इतना सूक्ष्म है कि इसे कभी मापना असंभव माना जाता था। लेजर के आविष्कार ने इसे बदल दिया, जिससे शोधकर्ताओं को केंद्रित प्रकाश पुंजों का उपयोग करके सूक्ष्म कणों को हवा में थामने की अनुमति मिली, जिसे ऑप्टिकल लेविटेशन (optical levitation) के रूप में जाना जाता है। इस निलंबित अवस्था में, एक कण केवल स्थिर नहीं बैठा होता है; वह अपने आसपास के प्रकाश के साथ निरंतर, ऊर्जावान आदान-प्रदान में होता है, जो फोटॉन को अवशोषित और बिखेरता रहता है ताकि उसे फंसा कर रखा जा सके। हालांकि यह प्रणाली बलों के एक सरल संतुलन जैसी लग सकती है, लेकिन वास्तव में यह एक खुला तंत्र (open system) है, जिसका अर्थ है कि यह लगातार अपने वातावरण के साथ ऊर्जा का व्यापार करता है। यह खुलापन भौतिकी की एक जटिल परत पेश करता है जहाँ सामान्य समरूपता (symmetry) के नियम टूट जाते हैं, जिससे एक ऐसी स्थिति उत्पन्न होती है जहाँ कण की गति उन बलों से प्रभावित होती है जो रोजमर्रा की जिंदगी में दिखने वाले संरक्षणवादी (conservative) धक्कों और खिंचवाओं की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। इन सूक्ष्म, गैर-संरक्षणवादी (non-conservative) अंतःक्रियाओं को समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि वे कई प्राकृतिक और इंजीनियर प्रणालियों को नियंत्रित करते हैं, जैसे कि कोशिकाओं की सूक्ष्म मशीनरी से लेकर उन्नत सामग्रियों के व्यवहार तक।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब निर्वात (vacuum) में निलंबित सूक्ष्म कांच के मोतियों के सटीक पथों को देखकर इस छिपी हुई दुनिया में एक सीधा झरोखा बनाया है। इन कणों की गति को अत्यधिक सटीकता के साथ ट्रैक करके, वैज्ञानिक उन अदृश्य बलों के परिदृश्य को पुनर्गठित करने में सक्षम हुए जो उन पर कार्य करते हैं। उन्होंने पाया कि प्रकाश न केवल कणों को धकेलता है; बल्कि यह एक घूमता हुआ, भंवर जैसा बल क्षेत्र बनाता है जो कणों को विशिष्ट दिशाओं में संचालित करता है। यह घूमती हुई गति उस भौतिक संकेत का प्रतीक है जिसे भौतिक विज्ञानी 'नॉन-हर्मिटियन डायनेमिक्स' (non-Hermitian dynamics) कहते हैं, एक ऐसी अवस्था जहाँ सिस्टम के व्यवहार को सरल, सममित नियमों द्वारा वर्णित नहीं किया जा सकता है। टीम ने पाया कि यह प्रभाव इस बात पर निर्भर करता है कि कितने कण शामिल हैं, और यह दो अलग-अलग तरीकों से उत्पन्न होता है। जब एक एकल कण फंसा होता है, तो घूमता हुआ बल सीधे प्रकाश पुंज के स्पिन (spin) से आता है, जो एक प्रकार का कोणीय संवेग (angular momentum) वहन करता है जो कण को घुमाता है। जब कई कण एक साथ फंसे होते हैं, तो एक अलग तंत्र कार्य संभाल लेता है: प्रकाश कणों के बीच आगे-पीछे टकराता है, जिससे उनके आसपास के स्थान में एक "आभासी" (virtual) भंवर उत्पन्न होता है जो उनकी सामूहिक गति को संचालित करता है।
इसे देखने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक वैक्यूम चैंबर के भीतर लगभग 250 नैनोमीटर त्रिज्या वाले एक एकल सिलिका गोले को फंसाने के लिए एक उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग किया। उन्होंने प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) को सावधानीपूर्वक समायोजित किया, इसे एक सीधी रेखा से बदलकर एक वृत्त में परिवर्तित किया, जिसने यह बदल दिया कि प्रकाश का स्पिन कण के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है। जैसे ही उन्होंने यह परिवर्तन किया, उन्होंने देखा कि कण की गति एक साधारण आगे-पीछे के कंपन से बदलकर एक अधिक जटिल, घूमने वाले व्यवहार में बदल गई। प्रति सेकंड हजारों बार कण की स्थिति को मापकर, उन्होंने उन सटीक दिशाओं का मानचित्र तैयार किया जिनमें कण ने गति करना पसंद किया। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे प्रकाश का स्पिन बढ़ा, कण ने एक दिशा के घूर्णन को दूसरी दिशा की तुलना में अधिक प्राथमिकता देना शुरू कर दिया, जिससे प्रभावी रूप से समय की समरूपता टूट गई। शुरुआत में, कण समान संभावना के साथ दक्षिणावर्त (clockwise) और वामावर्त (counter-clockwise) दोनों दिशाओं में घूमता था, लेकिन जैसे-जैसे गैर-संरक्षणवादी बल मजबूत हुए, वह प्रकाश द्वारा इंजेक्ट की गई ऊर्जा से संचालित होकर लगभग विशेष रूप से एक ही दिशा में घूमने लगा। यह दिशात्मक पूर्वाग्रह साम्यावस्था से दूर (far from equilibrium) एक प्रणाली का लक्षण है, जहाँ ऊर्जा का प्रवाह समय के एक स्पष्ट "तीर" (arrow of time) का निर्माण करता है।
शोधकर्ताओं ने फिर तीन कणों के त्रिकोणीय गठन में रखे गए एक सिस्टम का अध्ययन किया। यहाँ, इस प्रभाव को उत्पन्न करने के लिए प्रकाश का घूमना आवश्यक नहीं था। इसके बजाय, कणों ने एक-दूसरे के बीच प्रकाश को बिखेरा, जिससे अंतःक्रियाओं का एक जटिल जाल बना जिसने एक समान घूमते हुए बल को जन्म दिया। यह "आभासी भंवर" (virtual vortex) शुद्ध रूप से इस तरीके से उभरा कि कण प्रकाश क्षेत्र के माध्यम से एक-दूसरे से संवाद करते थे, जिससे पूरा समूह एक समन्वित, गैर-सममित नृत्य में खिंच गया। टीम ने उन आवृत्तियों को मापा जिस पर ये कण कंपन करते थे और उनकी गति के विशिष्ट पैटर्न को भी मापा, और पाया कि प्रायोगिक डेटा कठोर सैद्धांतिक गणनाओं के साथ उल्लेखनीय सटीकता के साथ मेल खाता है। उन्होंने पुष्टि की कि कणों पर लगने वाले बल सममित नहीं थे; एक दिशा में लगने वाला धक्का दूसरे दिशा में लगने वाले धक्के का केवल उल्टा नहीं था। यह कमी, जो बलों की प्रकृति को परिभाषित करती है, उस नॉन-हर्मिटियन अवस्था की विशेषता है जिसकी वे जांच कर रहे थे।
इस कार्य का महत्व इस बात में निहित है कि यह केवल कंपन की आवृत्तियों को मापने से आगे बढ़कर वास्तव में बलों के आकार को देखने की ओर बढ़ता है। अतीत में, वैज्ञानिक केवल उनके स्पेक्ट्रल हस्ताक्षरों (spectral signatures) को देखकर इन जटिल प्रणालियों की प्रकृति का अनुमान लगा सकते थे, ठीक वैसे ही जैसे किसी मशीन के केवल उसके गूँजने की आवाज़ सुनकर उसे समझने की कोशिश करना। यह नया दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को कण के वास्तविक प्रक्षेपवक्र (trajectory) को देखने और पूर्ण बल परिदृश्य को पुनर्गठित करने की अनुमति देता है, जो उन गैर-लंबवत मोड (non-orthogonal modes) को प्रकट करता है जो सिस्टम के व्यवहार को परिभाषित करते हैं। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ये विलक्षण भौतिक गुण केवल गणितीय अमूर्तता नहीं हैं, बल्कि सूक्ष्म जगत की वास्तविक, मापने योग्य विशेषताएं हैं। व्यक्तिगत कणों की गति को हल करके, टीम ने यह समझने के लिए एक सामान्य ढांचा प्रदान किया है कि खुले, शोर वाले सिस्टम में ऊर्जा कैसे प्रवाहित होती है। यह स्पष्टता लेविटेटेड मैटर (levitated matter) के मौलिक गतिकी का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करती है, जो सैद्धांतिक भविष्यवाणियों और प्रकाश में निलंबित कणों की मूर्त वास्तविकता के बीच के अंतर को पाटती है।
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