Spatial delocalization of cold oscillators in hollow-core fibers

क्वांटम भौतिकी की शांत दुनिया में, वैज्ञानिक अक्सर चीजों को यथासंभव स्थिर बनाने की कोशिश करते हैं। नैनो-स्तर पर वस्तुओं को परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान तक ठंडा करके, वे ऊष्मा के कारण होने वाले यादृच्छिक कंपन (random jiggling) को रोक देते हैं, जिससे वस्तु एक कण के बजाय एक तरंग (wave) की तरह व्यवहार करने लगती है। अत्यधिक स्थिरता की यह अवस्था अब तक की सबसे संवेदनशील मापों में से एक का शुरुआती बिंदु है, जो एक एकल परमाणु के स्पर्श जितने सूक्ष्म बलों का पता लगाने में सक्षम है। हालांकि, इन सूक्ष्म बलों को और भी बेहतर तरीके से मापने के लिए, शोधकर्ताओं को कभी-कभी इसके विपरीत करने की आवश्यकता होती है: उन्हें जानबूझकर वस्तु की स्थिति को अनिश्चित बनाना होता है। वस्तु के स्थान को एक व्यापक क्षेत्र में फैलाकर, वे बाहरी धक्कों के प्रति इसकी प्रतिक्रिया को बढ़ा सकते हैं, जो प्रभावी रूप से उस सिग्नल की आवाज़ को बढ़ा देता है जिसे वे सुनने की कोशिश कर रहे हैं। डेलोकलाइजेशन (delocalization) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रति-सहज (counterintuitive) रणनीति, मापन की सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, लेकिन इसे वस्तु को पूरी तरह से खोए बिना नियंत्रित करना अत्यंत कठिन है।

मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर द साइंस ऑफ लाइट और टीयू डार्मस्टाट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक खोखले फाइबर (hollow fiber) के भीतर एक निलंबित कांच के मनके (glass bead) का उपयोग करके इस नाजुक संतुलन में महारत हासिल करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। उनकी यह कार्यप्रणाली, जो हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में है, यह दिखाती है कि कैसे एक नैनोकण को लगभग गतिहीन अवस्था तक ठंडा करने के बाद उसकी स्थिति की अनिश्चितता को बीस गुना से अधिक के कारक से बढ़ाया जा सकता है, और वह भी उसे फंसाए और स्थिर रखते हुए। यह प्रयोग एक छोटे सिलिका गोले के इर्द-गिर्द केंद्रित है, जो केवल 234 नैनोमीटर चौड़ा है, जिसे एक हॉलो-कोर फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर के भीतर हवा में तैराया (levitated) गया है। यह फाइबर एक सूक्ष्म सुरंग की तरह कार्य करता है जो लेजर प्रकाश का मार्गदर्शन करती है, और इसकी लंबाई के साथ चमकीली और अंधेरी धारियों, या फ्रिंज (fringes) का एक पैटर्न बनाती है। कण इन चमकीली धारियों में फंस जाता है, जिसे प्रकाश के कोमल धक्के द्वारा स्थिर रखा जाता है।

शोधकर्ताओं ने फाइबर की लंबाई के अनुदिश और इसके आर-पार (side-to-side) दो दिशाओं में एक साथ कण की गति को ठंडा करना शुरू किया। उन्होंने इसे फीडबैक लूप का उपयोग करके प्राप्त किया, जिसने कण की गति को महसूस किया और लेजर प्रकाश को इस तरह समायोजित किया कि वह एक ब्रेक की तरह कार्य करे, जिससे कण की गति धीमी हो गई और उसका तापमान परम शून्य से कुछ ही डिग्री ऊपर तक गिर गया। एक बार जब यह कण इतना ठंडा हो गया, तो टीम ने इसकी स्थिति को फैलाने का प्रयास किया। उन्होंने इसे प्राप्त करने के लिए दो अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया, जो दोनों ही लेजर की कुल शक्ति को बदले बिना प्रकाश पैटर्न में हेरफेर करने पर आधारित थे।

पहले दृष्टिकोण में, टीम ने लेजर बीम के ध्रुवीकरण (polarization) को तेजी से घुमाया, जिससे फाइबर की लंबाई के साथ ट्रैप की पकड़ क्षण भर के लिए कमजोर हो गई। इस अचानक आए बदलाव के कारण कण की स्थिति फैल गई, ठीक वैसे ही जैसे एक स्प्रिंग को अचानक फैलने की अनुमति दी जाती है। कण की स्थिति का विचरण (variance), उसकी प्रारंभिक ठंडी अवस्था के सापेक्ष 11.83 डेसिबल बढ़ गया। महत्वपूर्ण बात यह है कि कण एक अनुमानित, बेल-कर्व (bell-curve) वितरण में बना रहा, जिसका अर्थ था कि उसकी गति अभी भी गॉसियन (Gaussian) थी और मानक सांख्यिकी द्वारा वर्णित की जा सकती थी। यह अवस्था केवल थोड़े समय के लिए बनी रही और फिर कण वापस स्थिर हो गया, लेकिन इस माप ने पुष्टि की कि विस्तार वास्तविक और नियंत्रणीय था।

दूसरा तरीका और भी प्रभावी सिद्ध हुआ। ट्रैप को कमजोर करने के बजाय, शोधकर्ताओं ने कण को एक चमकीली पट्टी से अंधेरी पट्टी की ओर ले जाने के लिए तीव्र चरण नियंत्रण (phase control) का उपयोग किया। अंधेरे फ्रिंज में, प्रकाश की तीव्रता लगभग शून्य होती है, और ऑप्टिकल बल एक उल्टा विभव (inverted potential) बनाते हैं, जिसका अर्थ है कि कण को केंद्र की ओर खींचने के बजाय उससे दूर धकेला जाता है। यह उल्टा परिदृश्य कण को उसके शुरुआती बिंदु से तेजी से (exponentially) दूर जाने के लिए प्रेरित करता है। टीम ने कण को एक माइक्रोसेकंड के बहुत छोटे हिस्से के लिए इस अंधेरे क्षेत्र में स्थानांतरित किया, और फिर इससे पहले कि वह निकल जाए, उसे जल्दी से एक चमकीले क्षेत्र में वापस ले आई। कण को अंधेरे में ले जाने और वापस चमकीले क्षेत्र में लाने के इस चक्र को दोहराकर, उन्होंने विस्तार के प्रभाव को संचित किया। इस तकनीक ने स्थिति के विचरण को 13.23 डेसिबल तक बढ़ा दिया, जो पहले तरीके की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि वे इस प्रक्रिया को और अधिक आगे बढ़ाते हैं, तो कण उन किनारों की खोज करने लगता है जहाँ बल अब पूरी तरह से रैखिक (linear) नहीं रहते। इससे एक तीसरा परिणाम निकला: एक गैर-गॉसियन (non-Gaussian) अवस्था का निर्माण। इस शासन में, कण के स्थान का वितरण मुड़े हुए, पंखे जैसे पूंछों (fanning tails) के रूप में विकसित हुआ, जो यह दर्शाता है कि सरल हार्मोनिक ऑसिलेटर के नियम अब लागू नहीं होते। टीम ने जटिल सिमुलेशन के साथ अपने प्रयोगात्मक डेटा की तुलना करके इस व्यवहार की पुष्टि की, जिसमें गैर-रैखिक बलों के बीच सटीक मिलान पाया गया।

यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह जटिल सहायक ट्रैप या विद्युत रूप से आवेशित कणों की आवश्यकता के बिना, उत्तोलित (levitated) कणों पर नियंत्रण का एक नया स्तर प्रदर्शित करता है, जो अक्सर बाहरी विद्युत क्षेत्रों के प्रति संवेदनशील होते हैं। फाइबर के भीतर एक मजबूती से पकड़ी गई अवस्था और एक व्यापक रूप से बिखरी हुई अवस्था के बीच तेजी से स्विच करने की क्षमता, अधिक संवेदनशील बल डिटेक्टरों के द्वार खोलती है। उदाहरण के लिए, स्थिति के विचरण में 13-डेसिबल की वृद्धि सूक्ष्म बलों का पता लगाने की क्षमता में लगभग पांच गुना सुधार के बराबर है। इसके अलावा, डार्क फ्रिंज तकनीक कण के संवेग (momentum) को बाधित किए बिना स्थिति को मापने का एक अनूठा तरीका प्रदान करती है, जो भविष्य के प्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हो सकता है जिनका लक्ष्य बड़े पैमाने पर क्वांटम सुपरपोजिशन बनाना है। यह अध्ययन खोखले कोर फाइबर को इन उन्नत ऑप्टोमैकेनिकल प्रयोगों के लिए एक बहुमुखी मंच के रूप में स्थापित करता है, जो यह सिद्ध करता है कि क्वांटम अवस्था को फैलाने की सूक्ष्म कला को उच्च सटीकता और विश्वसनीयता के साथ निष्पादित किया जा सकता है।