ऑप्टिकल चिमटी वैज्ञानिकों को क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का परीक्षण करने के लिए एक उपकरण देते हैं

कोई सोच सकता है कि ऑप्टिकल ट्वीज़र - एक केंद्रित लेजर बीम जो छोटे कणों को फंसा सकता है - अब तक पुरानी टोपी है। आखिरकार, ट्वीज़र का आविष्कार 1970 में आर्थर एस्किन ने किया था। और उन्हें इस साल के लिए नोबेल पुरस्कार मिला - संभवतः इसके मुख्य प्रभाव पिछले आधी शताब्दी के दौरान महसूस किए गए थे।

आश्चर्यजनक, यह सच से बहुत दूर है। ऑप्टिकल ट्वीजर क्वांटम यांत्रिकी को समझने में वैज्ञानिकों की मदद करते हुए नई क्षमताओं का खुलासा कर रहा है, यह सिद्धांत जो प्रकृति को उप-परमाणु कणों के संदर्भ में बताता है।

इस सिद्धांत ने कुछ अजीब और प्रतिसादात्मक निष्कर्ष निकाले हैं। उनमें से एक यह है कि क्वांटम यांत्रिकी एक ही वस्तु को एक ही समय में वास्तविकता के दो अलग-अलग राज्यों में मौजूद होने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, क्वांटम भौतिकी एक शरीर को एक साथ अंतरिक्ष में दो अलग-अलग स्थानों पर होने की अनुमति देती है - या मृत और जीवित दोनों, जैसा कि श्रोडिंगर की बिल्ली के प्रसिद्ध विचार प्रयोग में है।

श्रोडिंगर की बिल्ली के दो राज्य: मृत (बाईं ओर) और जीवित (दाईं ओर)। क्वांटम भौतिकी कहती है कि बिल्ली एक साथ दोनों राज्यों में मौजूद हो सकती है। (Rhoeo / Shutterstock.com)

इस घटना का तकनीकी नाम सुपरपोजिशन है। एकल परमाणुओं जैसी छोटी वस्तुओं के लिए सुपरपोज़िशन देखे गए हैं। लेकिन स्पष्ट रूप से, हम कभी भी अपने रोजमर्रा के जीवन में एक सुपरपोजिशन नहीं देखते हैं। उदाहरण के लिए, हम एक ही समय में दो स्थानों पर एक कप कॉफी नहीं देखते हैं।

इस अवलोकन की व्याख्या करने के लिए, सैद्धांतिक भौतिकविदों ने सुझाव दिया है कि बड़ी वस्तुओं के लिए - यहां तक ​​कि नैनोकणों के बारे में जिसमें एक अरब परमाणु होते हैं - मानक क्वांटम यांत्रिकी के टूटने के कारण सुपरस्पेशिशन एक या दो संभावनाओं के एक या दूसरे को जल्दी से ढह जाते हैं। बड़ी वस्तुओं के लिए पतन की दर तेज होती है। श्रोडिंगर की बिल्ली के लिए, यह पतन - "जीवित" या "मृत" - व्यावहारिक रूप से तात्कालिक होगा, यह समझाते हुए कि हम बिल्ली के सुपरपोजिशन को कभी भी दो राज्यों में एक साथ क्यों नहीं देखते हैं।

कुछ समय पहले तक, इन "सिद्धांतों को ध्वस्त" किया गया था, जिसके लिए पाठ्यपुस्तक क्वांटम यांत्रिकी के संशोधनों की आवश्यकता होगी, परीक्षण नहीं किया जा सकता है, क्योंकि एक सुपरपोज़िशन में एक बड़ी वस्तु तैयार करना मुश्किल है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बड़ी वस्तुएं अपने परिवेश के साथ परमाणुओं या उप-परमाणु कणों की तुलना में अधिक बातचीत करती हैं - जिससे गर्मी में रिसाव होता है जो क्वांटिटी राज्यों को नष्ट कर देता है।

भौतिकविदों के रूप में, हम पतन के सिद्धांतों में रुचि रखते हैं क्योंकि हम क्वांटम भौतिकी को बेहतर ढंग से समझना चाहते हैं, और विशेष रूप से क्योंकि सैद्धांतिक संकेत हैं कि पतन गुरुत्वाकर्षण प्रभावों के कारण हो सकता है। क्वांटम भौतिकी और गुरुत्वाकर्षण के बीच एक संबंध खोजने के लिए रोमांचक होगा, क्योंकि सभी भौतिकी इन दो सिद्धांतों पर टिकी हुई है, और उनका एकीकृत विवरण - तथाकथित थ्योरी ऑफ एवरीथिंग - आधुनिक विज्ञान के भव्य लक्ष्यों में से एक है।

ऑप्टिकल चिमटी से नोचना

ऑप्टिकल चिमटी इस तथ्य का फायदा उठाती है कि प्रकाश पदार्थ पर दबाव डाल सकता है। यद्यपि एक गहन लेजर बीम से विकिरण का दबाव काफी छोटा है, लेकिन अश्किन यह दिखाने वाला पहला व्यक्ति था कि यह एक नैनोकण का समर्थन करने के लिए काफी बड़ा था, गुरुत्वाकर्षण का मुकाबला करते हुए, इसे प्रभावी ढंग से उत्तोलन करता है।

2010 में शोधकर्ताओं के एक समूह ने महसूस किया कि एक ऑप्टिक ट्वीज़र द्वारा आयोजित इस तरह के नैनोकण को ​​उसके पर्यावरण से अच्छी तरह से अलग किया गया था, क्योंकि यह किसी भी सामग्री के समर्थन के संपर्क में नहीं था। इन विचारों का अनुसरण करते हुए, कई समूहों ने दो अलग-अलग स्थानिक स्थानों पर एक नैनोकण के सुपरपोजिशन बनाने और निरीक्षण करने के तरीके सुझाए।

2013 में टोंगकेंग ली और लू मिंग डुआन के समूहों द्वारा प्रस्तावित एक पेचीदा योजना ने ट्वीज़र में एक नैनोडियमॉन्ड क्रिस्टल का निर्माण किया। नैनोपार्टिकल ट्वीजर के भीतर स्थिर नहीं रहता है। बल्कि, यह दो स्थानों के बीच एक पेंडुलम की तरह दोलन करता है, जिसमें लेज़र के कारण विकिरण के दबाव से आने वाली शक्ति बहाल होती है। इसके अलावा, इस हीरे के नैनोकैस्टर में एक दूषित नाइट्रोजन परमाणु होता है, जिसे एक छोटे चुंबक के रूप में उत्तर (एन) पोल और एक दक्षिण (एस) पोल के साथ माना जा सकता है।

ली-डुआन रणनीति में तीन चरण शामिल थे। सबसे पहले, उन्होंने अपने क्वांटम ग्राउंड राज्य में नैनोकणों की गति को ठंडा करने का प्रस्ताव दिया। यह इस प्रकार का कण हो सकता है सबसे कम ऊर्जा राज्य है। हम उम्मीद कर सकते हैं कि इस स्थिति में कण चारों ओर घूमना बंद कर देता है और बिल्कुल भी नहीं झुकता है। हालांकि, अगर ऐसा हुआ, तो हमें पता चल जाएगा कि कण कहां था (चिमटी के केंद्र में), साथ ही यह कितनी तेजी से आगे बढ़ रहा था (बिल्कुल नहीं)। लेकिन क्वांटम भौतिकी के प्रसिद्ध हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत द्वारा स्थिति और गति दोनों का एक साथ परिपूर्ण ज्ञान की अनुमति नहीं है। इस प्रकार, यहां तक ​​कि इसकी सबसे कम ऊर्जा की स्थिति में, कण थोड़ा सा घूमता है, बस क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को पूरा करने के लिए पर्याप्त है।

दूसरा, ली और डुआन योजना के लिए आवश्यक था कि चुंबकीय नाइट्रोजन परमाणु को इसके उत्तरी ध्रुव के एक सुपरपोजिशन में तैयार किया जाए और साथ ही नीचे की ओर इशारा किया जाए।

अंत में, लेविटेड डायमंड क्रिस्टल की गति के लिए नाइट्रोजन परमाणु को जोड़ने के लिए एक चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता थी। यह परमाणु के चुंबकीय सुपरपोज़िशन को नैनोक्रिस्टल के स्थान सुपरपोज़िशन में स्थानांतरित कर देगा। इस हस्तांतरण को इस तथ्य से सक्षम किया जाता है कि परमाणु और नैनोकण चुंबकीय क्षेत्र से उलझे हुए हैं। यह उसी तरह से होता है कि मृत और जीवित रेडियोधर्मी नमूने के क्षय और न सड़ने वाले रेडियोधर्मी नमूने को मृत और जीवित अवस्था में श्रोडिंगर की बिल्ली के सुपरपोजिशन में बदल दिया जाता है।

पतन के सिद्धांत को साबित करना

एक ही स्थान पर सुपरपोजिशन का पतन। (ड्रीमकैचरडियाना / शटरस्टॉक.कॉम)

इस सैद्धांतिक काम के दांतों को दो रोमांचक प्रयोगात्मक विकास दिए गए थे। पहले से ही 2012 में लुकास नोवोटनी और रोमैन क्विडेंट के समूहों ने दिखाया कि वैकल्पिक शून्य से सौ डिग्री पर एक ऑप्टिकली लेविटेटेड नैनोकण को ​​ठंडा करना संभव था - सैद्धांतिक रूप से ऑप्टिकल ट्वीज़र की तीव्रता को कम करने के लिए सैद्धांतिक रूप से सबसे कम तापमान -। इसका प्रभाव वैसा ही था जैसे किसी बच्चे को सही समय पर धक्का देकर स्विंग कराने पर।

2016 में एक ही शोधकर्ता पूर्ण शून्य से ऊपर दस हजार डिग्री तक ठंडा करने में सक्षम थे। इस समय के दौरान हमारे समूहों ने एक पेपर प्रकाशित करते हुए कहा कि एक चिमटी से ढके नैनोपार्टिकल के क्वांटम ग्राउंड अवस्था तक पहुँचने के लिए आवश्यक तापमान निरपेक्ष शून्य से एक डिग्री ऊपर था। यह आवश्यकता चुनौतीपूर्ण है, लेकिन चल रहे प्रयोगों की पहुंच के भीतर।

दूसरा रोमांचक विकास 2014 में निक वामिवाकास के समूह में एक नाइट्रोजन-दोष-ले जाने वाले नैनोडायमॉन्ड का प्रायोगिक उत्तोलन था। एक चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हुए, वे ली-डुआन योजना के तीसरे चरण द्वारा आवश्यक नाइट्रोजन परमाणु और क्रिस्टल गति के भौतिक युग्मन को प्राप्त करने में सक्षम थे।

यह दौड़ अब जमीनी स्थिति तक पहुंचने के लिए है ताकि ली-डुआन योजना के अनुसार - दो स्थानों पर एक वस्तु को एक इकाई में ढहते हुए देखा जा सके। यदि पतन के सिद्धांतों, प्रमात्रा यांत्रिकी द्वारा बताई गई दर पर अंधविश्वास नष्ट हो जाते हैं, जैसा कि हम जानते हैं कि इसे संशोधित करना होगा।

यह आलेख मूल रूप से वार्तालाप पर प्रकाशित हुआ था।

मिशकात भट्टाचार्य, स्कूल ऑफ एस्ट्रोनॉमी में एसोसिएट प्रोफेसर, रोचेस्टर इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और निक वामिवकास, क्वांटम ऑप्टिक्स एंड क्वांटम फिजिक्स के एसोसिएट प्रोफेसर, रोचेस्टर विश्वविद्यालय