एक मिलीग्राम का रोटर, जिसे सिर्फ़ निगरानी ने थाम रखा है

पिछले बीस वर्षों में, भौतिकविदों ने यांत्रिक वस्तुओं को उनकी क्वांटम सीमाओं के क़रीब नियंत्रित करना सीख लिया है — फ़ेम्टोग्राम भार वाले नैनो-पैमाने के अनुनादकों (resonators) से लेकर गुरुत्वीय-तरंग संसूचकों के कई किलोग्राम के दर्पणों तक। लेकिन इनमें से लगभग सभी दोलक (oscillators) हैं: कोई चीज़, जैसे स्प्रिंग, उन्हें केंद्र की ओर वापस खींचती है। क्वांटम यांत्रिकी की सबसे सरल प्रणाली, मुक्त कण (free particle), जिसे कुछ भी वापस नहीं खींचता, ऐसे नियंत्रण की पकड़ में नहीं आई है। उन निम्न आवृत्तियों पर, जहाँ मुक्त गति घटित होती है, घर्षण और परिवेश का शोर सब कुछ डुबो देते हैं।

फिर भी कई बड़े सवालों को ठीक मुक्त द्रव्यमानों की ही ज़रूरत है: यह परखना कि क्या गुरुत्व क्वांटम है, क्वांटम यांत्रिकी में प्रस्तावित बदलावों की जाँच करना, कम दूरी के नए बलों की खोज करना।

काँच के धागे पर एक दर्पण

Institute of Science and Technology Austria के उमंग मिश्रा (Umang Mishra), तेओदोर स्त्रोमबर्ग (Teodor Strömberg), ओनुर होस्टेन (Onur Hosten) और सहयोगियों ने परीक्षण-वस्तु बनाई: फ़्यूज़्ड सिलिका की एक 1 मिलीग्राम भार की दर्पण-छड़, 2 मिलीमीटर लंबी, जो फ़्यूज़्ड सिलिका के 15 सेंटीमीटर लंबे और 1 माइक्रोमीटर मोटे रेशे से, 10⁻¹⁰ मिलीबार से कम के निर्वात में लटकी है। सख़्ती से कहें तो, यह एक मरोड़ी लोलक (torsion pendulum) है जो हर 15 सेकंड में एक बार आगे-पीछे झूलता है। लेकिन यहाँ जिन समय-पैमानों का महत्व है, यानी दसियों मिलीसेकंड, उन पर यह उस खिंचाव को मुश्किल से महसूस करता है: यह एक मुक्त वस्तु की तरह व्यवहार करता है।

इसका पृथक्करण (isolation) चरम है। टीम ने इसे झकझोरने वाले यादृच्छिक बल-आघूर्णों (torques) को मापा, और उतने से अधिक कोई शोर नहीं पाया जितना केवल 7 नैनोहर्ट्ज़ की अवमंदन दर (damping rate) पैदा करती। त्वरणमापी (accelerometer) के रूप में इस्तेमाल किए जाने पर, छड़ का सिरा इस द्रव्यमान पर पिछले सर्वश्रेष्ठ प्रयोगों की तुलना में लगभग सौ गुना अधिक संवेदनशील होगा।

इस पर नज़र रखने के लिए, एक “दोहरा प्रकाशीय उत्तोलक” (double optical lever) दो लेज़र किरणों को दर्पण से विपरीत दिशाओं में परावर्तित करता है, ताकि ख़ुद लेज़र की डगमगाहट निरस्त हो जाए और केवल छड़ का घूर्णन बचे। एक तीसरी किरण प्रकाश के दाब से छड़ को धकेल सकती है। पूरी व्यवस्था एक भूकंपीय पृथक्करण मंच (seismic isolation platform) पर टिकी है, और अपने ख़ुद के लटकते दर्पण वाला एक छोटा व्यतिकरणमापी (interferometer) उस मंच की किसी भी बची हुई गति को ट्रैक करता है।

ट्रैप की जगह मापन

मूल विचार यह है कि निरंतर मापन ट्रैप की जगह ले सकता है। अकेला छोड़ दिए जाने पर, किसी मुक्त वस्तु की स्थिति और वेग लगातार बढ़ती अनिश्चितता के साथ फैलते जाते हैं। बिना रुके मापे जाने पर, उसका प्रक्षेप-पथ साथ-साथ उजागर होता जाता है, और उसकी अवस्था के बारे में हमारा ज्ञान एक स्थिर, सीमित धुंधलेपन पर टिक जाता है। यहाँ वह धुंधलापन लगभग 26 मिलीसेकंड में स्थिर हो जाता है।

उस बची हुई अनिश्चितता को एक तापमान में बदला जा सकता है, उस पाठ्यपुस्तकीय परिभाषा के ज़रिए जो तापमान को एन्ट्रॉपी में होने वाले बदलावों से जोड़ती है। यह “एन्ट्रॉपिक तापमान” (entropic temperature) बताता है कि रोटर की गति कितनी स्पष्टता से ज्ञात है, और मुक्त वस्तुओं की तुलना दोलकों से करने देता है।

टीम ने छड़ को प्रकाश से फँसाया, उसे छोड़ा, और 1.25 सेकंड के 100 खंडों में उसका कोण रिकॉर्ड किया। उसकी अवस्था के पुनर्निर्माण के दो तरीक़ों की तुलना की गई: एक “कारणात्मक” (causal) अनुमान, जो केवल पिछले मापनों का उपयोग करता है, और एक “समतलित” (smoothed) अनुमान, जो बाद में किए गए मापनों का भी उपयोग करता है। दोनों के बीच के अंतर ने यह जाँचने का एक नया तरीक़ा दिया कि अवस्था वास्तव में कितनी अच्छी तरह ज्ञात है।

140 नैनोकेल्विन

• केवल पिछले आँकड़ों से, रोटर की अवस्था 1.2 माइक्रोकेल्विन के तुल्य है।
• समतलन (smoothing) के साथ, यह गिरकर 140 नैनोकेल्विन हो जाती है — परम शून्य से डिग्री के 140 अरबवें भाग ऊपर।

यह यांत्रिक वस्तुओं के साथ किए गए पिछले मेज़-स्तरीय (tabletop) प्रयोगों की तुलना में लगभग दो परिमाण-क्रम अधिक ठंडा (two orders of magnitude) है। लेखकों ने ध्यान दिलाया है कि यह ऐसी प्रणालियों को अतिशीत (ultracold) क्षेत्र में ले आता है, जो अब तक मुख्य रूप से वाष्पीकरण द्वारा ठंडे किए गए परमाणु-बादलों से जुड़ा रहा है। पारंपरिक फ़ीडबैक शीतलन (feedback cooling) वहाँ तक नहीं पहुँच सकता था।

एक निचली सीमा भी है। इस स्तर के पृथक्करण के लिए, मॉडल का पूर्वानुमान है कि तापमान लगभग 15 नैनोकेल्विन से नीचे नहीं जा सकता: हाइज़ेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, स्थिति को लगातार अधिक बारीकी से मापने पर घूर्णन की गति और अधिक धुंधली होती जाती है।

शांत मुक्त द्रव्यमान किस काम का

दो उपयोग तुरंत सामने आते हैं। कुछ सिद्धांत क्वांटम यांत्रिकी को इस तरह बदलते हैं कि क्वांटम धुंधलापन अपने-आप ढह जाता है (spontaneous collapse), जिससे हर वस्तु में एक हल्की, यादृच्छिक थरथराहट जुड़ जाती। रोटर की मापी गई स्थिरता निम्न आवृत्तियों पर इन मॉडलों की एक नई श्रेणी को ख़ारिज करती है, जो LISA Pathfinder अंतरिक्ष मिशन द्वारा तय की गई सीमाओं की पूरक है।

दूसरा उपयोग गुरुत्व है। क्या गुरुत्व दो द्रव्यमानों को उलझा (entangle) सकता है, यह एक केंद्रीय खुला प्रश्न है। टीम के गुणवत्ता-मापदंड (figure of merit) के अनुसार, ऐसे दो रोटर उलझाव पैदा करने और उसे खोने के अनुपात में, पहले प्रदर्शित किसी भी प्रणाली को लगभग दो परिमाण-क्रमों से पीछे छोड़ देंगे, हालाँकि लक्ष्य से अब भी बहुत दूर रहेंगे। लेखकों ने लिखा है कि घूर्णन पढ़ने के लिए एक मामूली प्रकाशीय कोटर (optical cavity) जोड़ने से आवश्यक शुद्धता पहुँच के भीतर आ जाएगी।