பார்க்கப்படுவதாலேயே அசையாமல் நிறுத்தப்படும் ஒரு மில்லிகிராம் சுழலி

கடந்த இருபது ஆண்டுகளில், இயற்பியலாளர்கள் இயந்திரப் பொருள்களை அவற்றின் குவாண்டம் வரம்புகளுக்கு அருகில் கட்டுப்படுத்தக் கற்றுக்கொண்டுள்ளனர் — ஃபெம்டோகிராம் எடையுள்ள நானோ அளவிலான ஒத்ததிர்விகள் (resonators) முதல், ஈர்ப்பு அலைக் கண்டறிகருவிகளின் பல கிலோகிராம் ஆடிகள் வரை. ஆனால் அவற்றில் கிட்டத்தட்ட எல்லாமே அலைவிகள் (oscillators): ஒரு சுருள்வில் போல ஏதோ ஒன்று அவற்றை மையத்தை நோக்கித் திருப்பி இழுக்கிறது. குவாண்டம் இயக்கவியலின் மிக எளிய அமைப்பான கட்டற்ற துகள் (free particle), அதைத் திருப்பி இழுக்க எதுவும் இல்லாத நிலையில், அத்தகைய கட்டுப்பாட்டுக்கு இதுவரை பிடிகொடுக்கவில்லை. கட்டற்ற இயக்கம் நிகழும் குறைந்த அதிர்வெண்களில், சுற்றுப்புறத்தின் உராய்வும் இரைச்சலும் எல்லாவற்றையும் மூழ்கடித்துவிடுகின்றன.

இருந்தும், பல பெரிய கேள்விகளுக்குத் தேவைப்படுவது சரியாகக் கட்டற்ற நிறைகள்தான்: ஈர்ப்பு விசை குவாண்டம் தன்மை கொண்டதா என்று சோதித்தல், குவாண்டம் இயக்கவியலில் முன்மொழியப்பட்ட மாற்றங்களை ஆராய்தல், குறுகிய வீச்சு கொண்ட புதிய விசைகளைத் தேடுதல்.

கண்ணாடி இழையில் ஓர் ஆடி

ஆஸ்திரிய அறிவியல் தொழில்நுட்பக் கழகத்தைச் (Institute of Science and Technology Austria) சேர்ந்த Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten மற்றும் சக ஆய்வாளர்கள் சோதனைப் பொருளை உருவாக்கினர்: உருக்கிய சிலிக்காவாலான (fused silica), 1 மில்லிகிராம் எடையுள்ள ஓர் ஆடிப் பட்டை, 2 மில்லிமீட்டர் நீளம்; அது 15 சென்டிமீட்டர் நீளமும் 1 மைக்ரோமீட்டர் தடிமனும் கொண்ட, உருக்கிய சிலிக்காவாலான ஓர் இழையில், 10⁻¹⁰ மில்லிபாருக்குக் கீழான வெற்றிடத்தில் தொங்குகிறது. கண்டிப்பாகச் சொன்னால், இது 15 வினாடிகளுக்கு ஒருமுறை முன்னும் பின்னும் ஆடும் ஒரு முறுக்கு ஊசல் (torsion pendulum). ஆனால் இங்கே முக்கியமான கால அளவுகளில் — சில பத்து மில்லிவினாடிகள் — அது அந்த இழுவிசையை அரிதாகவே உணர்கிறது: அது ஒரு கட்டற்ற பொருளாக நடந்துகொள்கிறது.

அதன் தனிமைப்படுத்தல் மிகத் தீவிரமானது. அதை அலைக்கழிக்கும் சீரற்ற முறுக்குவிசைகளைக் குழு அளந்தது; வெறும் 7 நானோஹெர்ட்ஸ் தணிப்பு விகிதம் உருவாக்கக்கூடியதைத் தாண்டி எந்த இரைச்சலும் காணப்படவில்லை. ஒரு முடுக்கமானியாக (accelerometer) பயன்படுத்தினால், பட்டையின் நுனி, இந்த நிறையில் இதற்கு முன் செய்யப்பட்ட மிகச் சிறந்த சோதனைகளைவிடக் கிட்டத்தட்ட நூறு மடங்கு அதிக உணர்திறன் கொண்டதாக இருக்கும்.

அதைக் கண்காணிக்க, ஓர் “இரட்டை ஒளியியல் நெம்புகோல்” (double optical lever) இரண்டு லேசர் கற்றைகளை ஆடியிலிருந்து எதிர் திசைகளில் தெறிக்கச் செய்கிறது; இதனால் லேசரின் சொந்தத் தள்ளாட்டம் ரத்தாகி, பட்டையின் சுழற்சி மட்டுமே மிஞ்சுகிறது. மூன்றாவது கற்றை, ஒளியின் அழுத்தத்தால் பட்டையைத் தள்ள முடியும். முழு அமைப்பும் ஒரு நில அதிர்வுத் தனிமைப்படுத்தல் மேடையின் மீது நிற்கிறது; தனக்கென ஒரு தொங்கும் ஆடி கொண்ட ஒரு சிறிய குறுக்கீட்டுமானி (interferometer), அந்த மேடையின் எஞ்சிய எந்த இயக்கத்தையும் பின்தொடர்கிறது.

பொறிக்குப் பதிலாக அளவீடு

முக்கியக் கருத்து இதுதான்: தொடர்ச்சியான அளவீடு பொறியின் இடத்தை எடுத்துக்கொள்ள முடியும். தனியே விடப்பட்டால், ஒரு கட்டற்ற பொருளின் இருப்பிடமும் வேகமும் மேலும் மேலும் நிச்சயமற்றவையாகப் பரவுகின்றன. இடைவிடாமல் அளக்கப்பட்டால், அதன் பாதை அது நகரும்போதே வெளிப்படுகிறது; அதன் நிலை பற்றிய நம் அறிவு, நிலையான, வரம்புக்குட்பட்ட ஒரு மங்கலுக்குள் அமைதி பெறுகிறது. இங்கே அந்த மங்கல் சுமார் 26 மில்லிவினாடிகளில் நிலைப்படுகிறது.

அந்த எஞ்சிய நிச்சயமின்மையை, வெப்பநிலையை என்ட்ரோபி மாற்றங்களுடன் இணைக்கும் பாடநூல் வரையறையின் மூலம், ஒரு வெப்பநிலையாக மாற்ற முடியும். இந்த “என்ட்ரோபி வெப்பநிலை” (entropic temperature), சுழலியின் இயக்கம் எவ்வளவு கூர்மையாக அறியப்படுகிறது என்று சொல்கிறது; கட்டற்ற பொருள்களை அலைவிகளுடன் ஒப்பிடவும் அது உதவுகிறது.

குழு பட்டையை ஒளியால் சிறைப்பிடித்து, பிறகு விடுவித்து, 1.25 வினாடிகள் கொண்ட 100 துண்டுகளில் அதன் கோணத்தைப் பதிவு செய்தது. அதன் நிலையை மீளுருவாக்கும் இரண்டு வழிகள் ஒப்பிடப்பட்டன: கடந்த அளவீடுகளை மட்டுமே பயன்படுத்தும் ஒரு “காரணகாரிய” (causal) மதிப்பீடு, பின்னர் செய்யப்பட்ட அளவீடுகளையும் பயன்படுத்தும் ஒரு “மென்மையாக்கப்பட்ட” (smoothed) மதிப்பீடு. இரண்டுக்கும் இடையிலான வேறுபாடு, நிலை உண்மையில் எவ்வளவு நன்றாக அறியப்படுகிறது என்று சரிபார்க்க ஒரு புதிய வழியைத் தந்தது.

140 நானோகெல்வின்

• கடந்த தரவுகளிலிருந்து மட்டும், சுழலியின் நிலை 1.2 மைக்ரோகெல்வினுக்குச் சமமாகிறது.
• மென்மையாக்கலுடன், அது 140 நானோகெல்வினுக்கு இறங்குகிறது — தனிச்சுழிக்கு மேல், ஒரு டிகிரியின் பில்லியனில் 140 பங்கு.

இது, இயந்திரப் பொருள்களைக் கொண்டு முன்பு செய்யப்பட்ட மேசைமேல் சோதனைகளைவிடச் சுமார் இரண்டு அளவு வரிசைகள் (orders of magnitude) குளிரானது. இதுவரை முக்கியமாக ஆவியாதல் மூலம் குளிர்விக்கப்பட்ட அணு மேகங்களுடன் தொடர்புபடுத்தப்பட்ட மீக்குளிர் (ultracold) நிலைக்குள், இது இத்தகைய அமைப்புகளைக் கொண்டுவருகிறது என்று ஆசிரியர்கள் குறிப்பிடுகின்றனர். வழக்கமான பின்னூட்டக் குளிர்விப்பால் (feedback cooling) இதை எட்டியிருக்க முடியாது.

ஒரு கீழ் வரம்பு உண்டு. இந்த அளவு தனிமைப்படுத்தலுக்கு, வெப்பநிலை சுமார் 15 நானோகெல்வினுக்குக் கீழே இறங்க முடியாது என்று மாதிரி கணிக்கிறது: ஹைசன்பர்க்கின் நிச்சயமின்மைக் கொள்கைப்படி, இருப்பிடத்தை மேலும் மேலும் நுணுக்கமாக அளப்பது, சுழற்சி வேகத்தை மேலும் மேலும் மங்கலாக்குகிறது.

அமைதியான ஒரு கட்டற்ற நிறை எதற்குப் பயன்படும்

இரண்டு பயன்கள் உடனே தோன்றுகின்றன. சில கோட்பாடுகள், குவாண்டம் மங்கல் தானாகவே சரிந்துவிடும்படி குவாண்டம் இயக்கவியலை மாற்றியமைக்கின்றன; இது ஒவ்வொரு பொருளுக்கும் மங்கலான, சீரற்ற ஒரு நடுக்கத்தைச் சேர்க்கும். சுழலியின் அளக்கப்பட்ட அசைவின்மை, குறைந்த அதிர்வெண்களில் அந்த மாதிரிகளின் ஒரு புதிய வரம்பை நிராகரிக்கிறது; இது LISA Pathfinder விண்வெளித் திட்டம் நிறுவிய வரம்புகளுக்கு நிரப்பியாக அமைகிறது.

இரண்டாவது பயன் ஈர்ப்பு விசை. ஈர்ப்பு விசையால் இரண்டு நிறைகளைப் பின்னிப்பிணைக்க (entangle) முடியுமா என்பது ஒரு மையத் திறந்த கேள்வி. குழுவின் தகுதி அளவீட்டின்படி (figure of merit), அத்தகைய இரண்டு சுழலிகள், பின்னிப்பிணைப்பை உருவாக்குவதற்கும் அதை இழப்பதற்கும் இடையிலான விகிதத்தில், இதுவரை நிரூபிக்கப்பட்ட எந்த அமைப்பையும் கிட்டத்தட்ட இரண்டு அளவு வரிசைகள் ஏற்கெனவே விஞ்சும்; ஆனாலும் இலக்கிலிருந்து வெகு தொலைவிலேயே இருக்கும். சுழற்சியை வாசிக்க ஒரு சாதாரண ஒளியியல் குழியை (optical cavity) சேர்த்தால், தேவையான தூய்மை எட்டக்கூடியதாகும் என்று ஆசிரியர்கள் எழுதுகின்றனர்.