परमाणु घनत्व को मापकर क्वांटम जगत में झाँकने का अवसर प्रदान करने वाली एक नई गैर-आक्रामक तकनीक

बेंगलुरु स्थित रमन रिसर्च इंस्टीट्यूट (आरआरआई) के वैज्ञानिकों ने ठंडे परमाणुओं के स्थानीय घनत्व को वास्तविक समय में मापने के लिए एक नई, गैर-आक्रामक तकनीक विकसित की है, जिससे उनकी क्वांटम अवस्था में महत्वपूर्ण रूप से कोई बदलाव नहीं होता है – यह एक ऐसी प्रगति है जो क्वांटम कंप्यूटिंग, क्वांटम सेंसिंग और सटीक माप प्रौद्योगिकियों में प्रगति को गति दे सकती है।

रमन ड्रिवन स्पिन नॉइज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी (आरडीएसएनएस) नामक यह विधि, ठंडे परमाणु प्रयोगों में प्रयुक्त पारंपरिक परमाणु-इमेजिंग तकनीकों की प्रमुख सीमाओं को दूर करती है। लेजर शीतलन और ट्रैपिंग का उपयोग करके परम शून्य के निकट तापमान तक ठंडे किए गए ठंडे परमाणु स्पष्ट क्वांटम व्यवहार प्रदर्शित करते हैं और उभरती क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए केंद्रीय महत्व रखते हैं। हालांकि, उनकी क्वांटम अवस्था और घनत्व का सटीक पता लगाना अब तक एक चुनौती बना हुआ है।

अवशोषण और प्रतिदीप्ति इमेजिंग जैसी पारंपरिक विधियाँ अक्सर मापे जा रहे परमाणुओं में बाधा डालती हैं। अवशोषण इमेजिंग सघन परमाणु बादलों के साथ समस्या उत्पन्न करती है क्योंकि जांच प्रकाश पर्याप्त गहराई तक प्रवेश नहीं कर पाता है, जबकि प्रतिदीप्ति इमेजिंग के लिए लंबे समय तक एक्सपोज़र की आवश्यकता होती है और यह आमतौर पर विनाशकारी होती है, जिससे अवलोकन के दौरान परमाणु अवस्था में परिवर्तन हो जाता है।

भारत सरकार के विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) के अधीन एक स्वायत्त संस्थान, आरआरआई के शोधकर्ताओं ने यह प्रदर्शित किया है कि आरडीएसएनएस परमाणु प्रणाली को काफी हद तक अपरिवर्तित रखते हुए तीव्र, सटीक और स्थानीय घनत्व माप प्रदान कर सकता है। यह तकनीक स्पिन नॉइज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी को जोड़ती है – जो नमूने से गुजरने वाली लेजर किरण में ध्रुवीकरण परिवर्तनों के माध्यम से परमाणु स्पिन में प्राकृतिक उतार-चढ़ाव का पता लगाती है – साथ ही दो अतिरिक्त लेजर किरणें भी शामिल हैं जो परमाणुओं को पड़ोसी स्पिन अवस्थाओं के बीच सुसंगत रूप से संचालित करती हैं।

ये रमन किरणें सिग्नल को लगभग दस लाख गुना तक बढ़ा देती हैं, जिससे शोधकर्ताओं को लगभग 0.01 घन मिलीमीटर के अत्यंत छोटे आयतन की जांच करने में मदद मिलती है। जांच किरण को मात्र 38 माइक्रोमीटर तक केंद्रित करके, यह तकनीक लगभग 10,000 परमाणुओं वाले एक छोटे से क्षेत्र को लक्षित करती है, जिससे परमाणुओं की कुल संख्या के बजाय स्थानीय घनत्व का सीधा माप प्राप्त होता है।

आरडीएसएनएस का उपयोग करते हुए, टीम ने मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप (एमओटी) में सीमित पोटेशियम परमाणुओं का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि परमाणु बादल का केंद्रीय घनत्व एक सेकंड के भीतर संतृप्त हो गया, जबकि प्रतिदीप्ति इमेजिंग के माध्यम से मापी गई कुल परमाणु संख्या को स्थिर होने में लगभग दोगुना समय लगा। यह अंतर नई विधि के एक प्रमुख लाभ को उजागर करता है: प्रतिदीप्ति से परमाणुओं की कुल संख्या का पता चलता है, जबकि आरडीएसएनएस से यह पता चलता है कि विशिष्ट स्थानों पर परमाणु कितने सघन रूप से एकत्रित हैं।

आरआरआई की क्वांटम मिक्सचर्स (क्यूएमआईएक्स) प्रयोगशाला में शोध सहायक बर्नाडेट वर्षा एफजे और भाग्यश्री दीपक बिदवई ने कहा, “यह तकनीक गैर-आक्रामक है, क्योंकि जांच उपकरण बहुत कम ट्यून किया गया है और कम शक्ति पर काम करता है, जिससे माइक्रोसेकंड-स्केल माप में भी कुछ प्रतिशत के भीतर सटीकता प्राप्त की जा सकती है।”

आरआरआई में पीएचडी शोधकर्ता और इस शोध की प्रमुख लेखिका सायरी ने बताया कि आरडीएसएनएस जैसी वास्तविक समय की, गैर-विनाशकारी इमेजिंग विधियाँ क्वांटम सेंसिंग और कंप्यूटिंग के लिए आशाजनक विकल्प हैं। उन्होंने कहा, “यह क्षणिक सूक्ष्म घनत्व उतार-चढ़ाव को कैप्चर करके कई-निकाय गतिकी को उजागर करता है और स्थानिक रूप से हल किए गए डेटा का उपयोग करके सैद्धांतिक मॉडल को बेंचमार्क करने में मदद कर सकता है।”

इस तकनीक को प्रमाणित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने RDSNS से ​​प्राप्त स्थानीय घनत्व प्रोफाइल की तुलना व्युत्क्रम एबेल रूपांतरण का उपयोग करके संसाधित प्रतिदीप्ति छवियों से प्राप्त परिणामों से की। निकट समानता ने इस नए दृष्टिकोण की सटीकता की पुष्टि की। एबेल रूपांतरण, जो अक्षीय समरूपता मानता है, के विपरीत, RDSNS असममित या गतिशील रूप से विकसित होने वाले परमाणु बादलों के साथ भी विश्वसनीय रूप से कार्य करता है।

इस अभूतपूर्व खोज का प्रभाव क्वांटम प्रौद्योगिकियों के व्यापक क्षेत्र में दिखाई देता है। सटीक, तीव्र और गैर-आक्रामक घनत्व मापन गुरुत्वाकर्षणमापी, चुंबकमापी और अन्य क्वांटम सेंसर जैसे उपकरणों के लिए आवश्यक हैं, जो परमाणु घनत्व के सटीक ज्ञान पर निर्भर करते हैं। प्रणाली को बाधित किए बिना सूक्ष्म-स्तरीय जांच को सक्षम बनाकर, आरडीएसएनएस घनत्व तरंग प्रसार, क्वांटम परिवहन और गैर-संतुलन गतिशीलता के अध्ययन के लिए नए रास्ते खोलता है।

आरआरआई में क्यूएमआईएक्स लैब का नेतृत्व करने वाले प्रोफेसर सप्तऋषि चौधरी ने कहा, “हमें उम्मीद है कि यह तकनीक ठंडे परमाणु प्रयोगों के वास्तविक समय निदान में व्यापक अनुप्रयोग पाएगी, विशेष रूप से तटस्थ परमाणुओं के साथ क्वांटम कंप्यूटिंग और क्वांटम सिमुलेशन में।”

भारत के राष्ट्रीय क्वांटम मिशन के तहत समर्थित यह विकास, रमन अनुसंधान संस्थान को सटीक क्वांटम माप के क्षेत्र में अग्रणी स्थान पर रखता है, यह दर्शाता है कि कैसे अधिक सौम्य और स्मार्ट अवलोकन तकनीकें क्वांटम जगत में गहरी अंतर्दृष्टि को उजागर कर सकती हैं।