भिन्नात्मक क्वांटम हॉल अवस्था अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं में प्रकट होती है - भौतिकी विश्व

भिन्नात्मक क्वांटम हॉल अवस्था अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं में प्रकट होती है - भौतिकी विश्व

समय टिकट: 14 जुलाई, 2023 सुबह 4:00 बजे

अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं की अमूर्त छवि
लेज़रों द्वारा हेरफेर किए गए अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं ने एक लाफलिन अवस्था का एहसास किया, एक अजीब क्वांटम तरल जहां प्रत्येक परमाणु अपने जन्मदाताओं के चारों ओर नृत्य करता है। (सौजन्य: नाथन गोल्डमैन)

अमेरिका में हार्वर्ड विश्वविद्यालय के भौतिकविदों ने पहली बार अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं की गैस में लॉफलिन अवस्था के रूप में जाना जाने वाला क्वांटम तरल पदार्थ का जोरदार संपर्क करने वाला एक उपन्यास बनाया है। यह अवस्था, जो भिन्नात्मक क्वांटम हॉल (एफक्यूएच) अवस्था का एक उदाहरण है, पहले संघनित-पदार्थ प्रणालियों और फोटॉनों में देखी गई थी, लेकिन कठोर प्रयोगात्मक आवश्यकताओं के कारण परमाणुओं में अवलोकन मायावी थे। चूँकि परमाणु प्रणालियाँ अपने संघनित-पदार्थ समकक्षों की तुलना में सरल होती हैं, परिणाम से मौलिक भौतिकी में नई अंतर्दृष्टि प्राप्त हो सकती है।

"संघनित पदार्थ भौतिकी में कुछ सबसे दिलचस्प घटनाएं तब सामने आती हैं जब आप इलेक्ट्रॉनों को दो आयामों में सीमित करते हैं और एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लागू करते हैं," बताते हैं जूलियन लियोनार्डमें एक पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता हार्वर्ड में रुबिडियम लैब और एक पेपर के मुख्य लेखक प्रकृति नये कार्य पर. "उदाहरण के लिए, कण सामूहिक रूप से ऐसे व्यवहार कर सकते हैं जैसे कि उनके पास एक चार्ज है जो प्राथमिक चार्ज का केवल एक अंश है - कुछ ऐसा जो प्रकृति में कहीं और नहीं होता है और यहां तक ​​कि सभी मौलिक कणों के लिए मानक मॉडल द्वारा खारिज कर दिया जाता है।"

जिस तरह से ऐसे भिन्नात्मक आवेश उत्पन्न होते हैं वह अभी भी पूरी तरह से समझा नहीं जा सका है क्योंकि परमाणु पैमाने पर ठोस-अवस्था प्रणालियों का अध्ययन करना मुश्किल है। यही कारण है कि ठंडे परमाणुओं जैसे सिंथेटिक क्वांटम सिस्टम में एफक्यूएच के व्यवहार का अध्ययन करना इतना वांछनीय है, जो अधिक जटिल संघनित-पदार्थ घटनाओं के लिए क्वांटम सिमुलेटर के रूप में कार्य करते हैं।

लियोनार्ड कहते हैं, उदाहरण के लिए, नवीनतम अध्ययन में, हार्वर्ड टीम के सदस्यों ने सीधे तौर पर अपने परमाणु तंत्र में कणों को एक गोलाकार पैटर्न में एक दूसरे के चारों ओर घूमते हुए देखा, जैसे "वाल्ट्ज में नर्तक"। वह बताते हैं, "यह भंवर गति ठोस अवस्था के नमूने में देखने के लिए बहुत छोटी है, लेकिन हम इसे अपने प्रयोग में हल करने में सक्षम हैं।" भौतिकी की दुनिया.

परमाणुओं को इलेक्ट्रॉनों की तरह व्यवहार करना

लाफलिन राज्य बनाने के लिए, लियोनार्ड और उनके सहयोगियों ने प्रकाश से बनी आवधिक जाली क्षमता बनाने के लिए ओवरलैपिंग लेजर बीम का उपयोग किया। फिर उन्होंने प्रत्येक जाली साइट में परमाणुओं को रखा और बीम के मापदंडों को ट्यून किया ताकि परमाणु साइटों के बीच "हॉप" करने के लिए स्वतंत्र हों। लियोनार्ड बताते हैं कि यह सेटअप क्रिस्टलीय ठोस में इलेक्ट्रॉनों द्वारा अनुभव की जाने वाली आवधिक क्षमता की नकल करता है। "अंतर केवल इतना है कि हमारा कृत्रिम क्रिस्टल 1000 गुना से अधिक बड़ा है, इसलिए हम प्रत्येक 'इलेक्ट्रॉन' को ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप से देख और नियंत्रित कर सकते हैं," वे कहते हैं।

हार्वर्ड टीम के लिए एक बड़ी चुनौती चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति इलेक्ट्रॉनों की प्रतिक्रिया की नकल करना था। जबकि नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए इलेक्ट्रॉनों को चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर उनकी गति के लंबवत दिशा में एक बल (लॉरेंज बल) का अनुभव होता है, नए प्लेटफ़ॉर्म में इलेक्ट्रॉनों की भूमिका निभाने वाले परमाणु विद्युत रूप से तटस्थ होते हैं, जिसका अर्थ है कि यह बल अनुपस्थित है। इसलिए शोधकर्ताओं को परमाणुओं को चुंबकीय क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों की तरह व्यवहार करने के लिए "चाल" देनी पड़ी।

ऐसा करने के लिए, उन्होंने इस तथ्य पर भरोसा किया कि जब इलेक्ट्रॉन चुंबकीय क्षेत्र की परिक्रमा करते हैं, तो उनकी तरंग क्रिया एक चरण प्राप्त कर लेती है। इसे के नाम से जाना जाता है अहरोनोव-बोहम प्रभाव, और लियोनार्ड बताते हैं कि वे ठंडे परमाणुओं में एक समतुल्य बनाने में सक्षम थे। "हमारे प्रयोगों में, हमने कई लेजर बीमों का उपयोग किया जो परमाणुओं के तरंग कार्यों पर बिल्कुल इसी चरण को लागू करते थे," वे कहते हैं।

किसी का निरीक्षण करने की संभावना

लियोनार्ड कहते हैं, टीम को एफक्यूएच स्थितियों का निरीक्षण करने के लिए आवश्यक मजबूत, सटीक रूप से इंजीनियर चुंबकीय क्षेत्र बनाने में भी चुनौतियों का सामना करना पड़ा, जो पहले प्रयोगशाला प्रयोगों की पहुंच से बाहर था। "हमने अब पहली बार दिखाया है कि क्वांटम सिम्युलेटर में चुंबकीय क्षेत्र के तहत दृढ़ता से सहसंबद्ध प्रणालियों का अध्ययन करना संभव है," वे कहते हैं। “इसलिए अब ऐसे राज्यों का सूक्ष्म स्तर पर अध्ययन करना और उनमें नई अंतर्दृष्टि प्राप्त करना संभव है। हम पूरी तरह से नई घटनाओं की खोज भी कर सकते हैं जो अब तक अप्राप्य रही हैं।

जबकि शोधकर्ताओं द्वारा देखी गई एफक्यूएच लाफलिन अवस्था में परमाणुओं की संख्या छोटी है, 16 जाली स्थलों पर सिर्फ दो परमाणु हैं, टीम का मानना ​​​​है कि सिस्टम का आकार बढ़ाया जा सकता है। लियोनार्ड कहते हैं, "एक बड़ी प्रणाली हमें भौतिकी के बारे में और भी बेहतर दृष्टिकोण प्राप्त करने की अनुमति देगी जो एफक्यूएच प्रभाव को रेखांकित करती है और एक पहलू जिसे देखने के लिए हम विशेष रूप से उत्साहित हैं, वह ऐसी प्रणालियों में उत्तेजना है।" "माना जाता है कि ये न तो फ़र्मियन हैं और न ही बोसोन, बल्कि तथाकथित कोई भी हैं, जो एक पूरी तरह से नए प्रकार के कण हैं जो क्वांटम सांख्यिकी के हमारे सामान्य वर्गीकरण से बाहर हैं।"

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