अनुसंधानकर्ताओं ने एक क्वांटम प्रणाली में अति-ठंडे परमाणुओं के विशिष्ट आवागमन  गुणों का अवलोकन किया है और प्रकाश पल्स के अचानक संपर्क में आने पर उनके व्यवहार का अध्ययन किया है। इस समझ में अगली पीढ़ी की बैटरियों के घटकों सहित, स्मार्ट और उच्च-चालकता मैटीरियल्स के डिजाइन और विकास की क्षमता है।

ठंडे परमाणु, या परमाणु जिन्हें परम शून्य के करीब अत्यंत कम तापमान पर ठंडा किया गया है, सटीक माप करने के लिए उत्कृष्ट तत्व हैं। क्वांटम परिवहन में उन प्रणालियों के भीतर आवेश और ऊर्जा प्रवाह का अध्ययन शामिल है जहां क्वांटम प्रभाव हावी होते हैं। संबंधित घटनाओं में क्वांटम टनलिंग  शामिल है जो फ्लैश मेमोरी उपकरणों में महत्वपूर्ण है; क्वांटाइज़्ड कंडक्टेंस जो नैनोस्केल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और क्वांटम पॉइंट कॉन्टैक्ट्स  को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

एक क्लासिकल चार्ज्ड आवागमन में, जैसा कि वर्तमान समय की बैटरियों के मामले में है, यह इलेक्ट्रॉनों का एक सीधा प्रवाह है। क्वांटम चार्ज आवागमन को क्लासिकल चार्ज्ड आवागमन से जो चीज अलग करती है, वह यह है कि पूर्व सीधे क्वांटम सांख्यिकीय सिद्धांतों को शामिल करता है। यही कारण है कि इन फंसे हुए अति-ठंडे परमाणुओं के आवागमन और प्रसार गुणों की समझ महत्वपूर्ण है जब उन्हें बाह्य रूप से नियंत्रित लेजर ट्यूनिंग  के अधीन किया जाता है। प्रयोग करने के लिए, परमाणुओं को जकड़ा जाना चाहिए, अन्यथा वे अपनी काइनेटिक एनर्जी के अनुसार इधर-उधर भटक जाएंगे। इसके अलावा, यह संभावित रूप से स्मार्ट मैटीरियल को डिजाइन करने में मदद कर सकता है जो कुशल, अनुकूलन योग्य और उच्च चालकता प्रदान करते हैं।

भारत सरकार के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विभाग (डीएसटी) द्वारा वित्त पोषित एक स्वायत्त संस्थान, रमन रिसर्च इंस्टीट्यूट  की एक टीम ने अति-कम तापमान पर तटस्थ पोटेशियम परमाणुओं के क्वांटम आवागमन गुणों को समझने का प्रयास किया।

यह प्रयोग दो अलग-अलग अनुक्रमों और दो अलग-अलग सेटिंग्स  में किया गया, जिसमें थ्री डी ट्रैपिंग बीम पूरे प्रयोग के दौरान चालू रखी गई थी। पहली सेटिंग में, लेजर-कूल्ड पोटेशियम परमाणुओं को, जो एक मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप (एमओटी) के भीतर सीमित थे, केवल एक ड्राइविंग लेजर बीम के संपर्क में लाया गया। एमओटी लेजर कूलिंग और तटस्थ परमाणुओं को अत्यंत कम तापमान पर ट्रैप करने और ठंडा करने के लिए स्थानिक रूप से अलग-अलग चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करता है। दूसरी सेटिंग में, ड्राइविंग बीम के साथ, परमाणुओं पर एक और लेजर बीम डाली गई। दोनों ही परिदृश्यों में, पोटेशियम परमाणुओं के व्यवहार को ट्रैक किया गया।

"हमारे प्रयोग में, एक संवाहक धातु में इलेक्ट्रॉनों की भूमिका तटस्थ परमाणुओं द्वारा निभाई जाती है जिन्हें माइक्रो-केल्विन (परम शून्य के निकट) तापमान पर लेजर द्वारा ठंडा किया जाता है। उनके परिवहन गुणों और बाहरी रूप से ट्यून करने योग्य अंतर-परमाणु इंटरैक्शन के प्रति प्रतिक्रियाओं का अवलोकन करके, हमने देखा कि परिवहन गुण मौलिक रूप से संशोधित हो गए," आरआरआई में क्वांटम मिक्सचर्स (क्यूयूएमआईएक्स) लैब के प्रमुख सप्तर्षि चौधरी ने कहा।

आमतौर पर, ऐसी स्थिति में, परमाणुओं से एक पेंडुलम  की तरह दोलन  करने की उम्मीद की जाती है।

"इसके बजाय, हमने एक ओवरडैम्प्ड ऑसिलेशन से एक अंडरडैम्प्ड ऑसिलेशन तक गति में एक नाटकीय बदलाव देखा। यह परमाणुओं और फोटॉन के बीच की अंतःक्रियाओं के कारण संभव हुआ," उन्होंने कहा।

ऐसा इसलिए है क्योंकि जब ड्राइविंग लेजर बीम को क्षण भर के लिए ट्रैप्ड परमाणुओं पर लागू किया गया, तो यह ठंडे परमाणुओं के बादल को विस्थापित कर सकता था। इसके तुरंत बाद, यह दोलन आवृत्ति में वृद्धि के कारण एक डैम्प्ड हार्मोनिक ऑसिलेटर की गतिशीलता का अनुकरण करता है। इसके बाद, परमाणुओं को फोटोएसोसिएशन (पीए) रेजोनेंस  के पास एक और तीव्र लेजर प्रकाश के अधीन किया गया - जो अंतर-परमाणु इंटरैक्शन को संशोधित करने के लिए जाना जाता है।

"जब एक अचानक विस्थापन को परमाणु बादल पर लागू किया गया, तो हमने देखा कि इसने इन अंतःक्रियाओं की उपस्थिति में सामूहिक दोलन किए - एक ऐसा परिणाम जो आश्चर्यजनक और पहली बार सहज ज्ञान युक्त था," पीएचडी के छात्र और ऑप्टिक्स लेटर्स पत्रिका में प्रकाशित पेपर के प्रमुख लेखक अनिर्बान मिश्रा ने कहा।

उन्होंने कहा कि फोटोएसोसिएशन एक प्रक्रिया है जिसके माध्यम से परमाणु मिलकर एक अल्पकालिक अणु बनाते हैं, जिससे जाल का नुकसान होता है और शामिल परमाणुओं का पुन: अधिग्रहण होता है। अध्ययन के एक अन्य सह-लेखक संजुक्ता रॉय ने कहा, "ठंडे परमाणुओं में अंतर-परमाणु इंटरैक्शन को ट्यून करने से हमें विदेशी क्वांटम गतिशीलता का पता लगाने में मदद मिलती है।"

सुपर्णा सिन्हा और उर्बाशी सत्पथि द्वारा विकसित एक व्यापक सैद्धांतिक मॉडल, जो इस कार्य के सहयोगी लेखक भी हैं, ने फोटोएसोसिएशन रेजोनेंस को ध्यान में रखते हुए परमाणुओं के बीच इंटरैक्शन की ताकत को काफी बढ़ा दिया है, जिससे उन्हें आणविक रेजोनेंस का पता लगाने के लिए एक नई विधि पेश करने की अनुमति मिलती है।

प्रयोग करने वालों ने कहा कि प्रयोग के नियंत्रण मापदंडों के आधार पर, अर्थात्, विभिन्न लेजर लाइटों की शक्ति और एमओटी में चुंबकीय क्षेत्र ग्रेडियंट की ताकत की गतिशीलता को आवश्यकतानुसार ट्यून करना संभव था।

आरआरआई के शोधकर्ताओं ने कहा कि अधिक विस्तृत अध्ययनों के साथ, कोई भी ट्यून करने योग्य इंटरैक्शन के जवाब में किसी भी क्वांटम सिस्टम के परिवहन गुणों में बेहतर अंतर्दृष्टि प्राप्त कर सकता है।

लिंक-आप्टिक लैटर्स Vol. 49, issue 15, pp 4377 (2024) [ https://doi.org/10.1364/OL.532095 ]

 

चित्र 1: ट्रैप्ड अति-ठंडे तटस्थ परमाणुओं द्वारा अनुभव किए जाने वाले दोलनों के प्रकार

चित्र 2: पीए बीम की उपस्थिति में बनने वाला अल्पकालिक अणु

चित्र 3: पीएस बीम की अनुपस्थिति (बांए) और उपस्थिति (दाहिने) में दोलन पर पड़ने वाला प्रभाव

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