सबसे ठंडा: आइंस्टीन को लिखे एक पत्र और लेजर-कूलिंग तकनीक में प्रगति ने भौतिकविदों को पदार्थ की नई क्वांटम अवस्थाओं तक कैसे पहुंचाया - भौतिकी विश्व

20वीं सदी के आखिरी दो दशकों के दौरान, परमाणु भौतिकविदों ने बार-बार ब्रह्मांड में सबसे ठंडे तापमान का रिकॉर्ड तोड़ा। ये उपलब्धियाँ कुछ अग्रिमों पर आधारित थीं, जिनमें लेज़र कूलिंग (जैसा कि वर्णित है) शामिल है भाग 1 इस इतिहास में), मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप और सिसिफस कूलिंग जैसी तकनीकें, जिन्होंने अपेक्षा से बेहतर काम किया (जैसा कि इसमें वर्णित है) भाग 2). 1990 तक, भौतिक विज्ञानी नियमित रूप से लाखों परमाणुओं को पूर्ण शून्य से कुछ दसियों माइक्रोकेल्विन तापमान तक ठंडा कर रहे थे - पारंपरिक क्रायोजेनिक्स की तुलना में एक हजार गुना ठंडा और लेजर-कूलिंग सरल परमाणुओं के लिए अनुमानित "डॉपलर शीतलन सीमा" का एक अंश।

हालाँकि, यह गिरावट जितनी नाटकीय थी, तापमान में उससे भी अधिक चुनौतीपूर्ण गिरावट का संकेत मिला: माइक्रोकेल्विन से नैनोकेल्विन तक 1000 का एक और कारक। यह अतिरिक्त गिरावट भौतिकी के एक नए क्षेत्र का परिचय देगी जिसे क्वांटम डिजनरेसी के रूप में जाना जाता है। यहां, कम तापमान और उच्च घनत्व परमाणुओं को पदार्थ की दो विदेशी अवस्थाओं में से एक में मजबूर करते हैं: या तो बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी), जिसमें गैस के सभी परमाणु एक ही क्वांटम अवस्था में एकत्रित हो जाते हैं, या एक पतित फर्मी गैस (DFG), जिसमें गैस की कुल ऊर्जा कम होना बंद हो जाती है क्योंकि सभी उपलब्ध ऊर्जा अवस्थाएँ पूर्ण हो जाती हैं (चित्र 1)।

बीईसी और डीएफजी पूरी तरह से क्वांटम घटनाएं हैं, और एक परमाणु का कुल स्पिन तय करता है कि उनमें से कौन सा बनेगा। यदि परमाणु में इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की संख्या सम है, तो यह एक बोसॉन है और बीईसी से गुजर सकता है। यदि कुल विषम है, तो यह एक फर्मियन है और डीएफजी बना सकता है। एक ही तत्व के विभिन्न आइसोटोप कभी-कभी विपरीत तरीकों से व्यवहार करते हैं - भौतिकविदों ने लिथियम -7 के बीईसी और लिथियम -6 के साथ डीएफजी बनाए हैं - और कम तापमान के व्यवहार में यह अंतर क्वांटम कणों के बीच मौलिक विभाजन के सबसे नाटकीय प्रदर्शनों में से एक है।

इस श्रृंखला में वर्णित पिछली सफलताओं की तरह, दुनिया भर में फैली अनुसंधान प्रयोगशालाओं में पेश की गई नई तकनीकों की बदौलत क्वांटम अध:पतन की ओर कदम बढ़ा। और - फिर से पहले की प्रगति की तरह - इनमें से एक तकनीक पूरी तरह से संयोग से आई।

सस्ते में लेज़र कूलिंग

मध्य 1980s में, कार्ल वाइमैन अमेरिका में कोलोराडो विश्वविद्यालय, बोल्डर में सीज़ियम परमाणुओं में समता उल्लंघन का अध्ययन कर रहा था। इन अध्ययनों के लिए समय लेने वाली और सटीक स्पेक्ट्रोस्कोपी माप की आवश्यकता होती है, और वाइमन के पीएचडी छात्र रिच वत्स सीडी प्लेयरों के लिए लाखों लोगों द्वारा निर्मित किए जा रहे डायोड लेज़रों की तरह उन्हें करने का एक तरीका विकसित किया।

इन सस्ते, ठोस-अवस्था वाले उपकरणों को कैसे स्थिर और नियंत्रित किया जाए, यह जानने में वर्षों बिताने के बाद, वाट्स (काफी उचित) अपनी पीएचडी पूरी करना चाहते थे, इसलिए उन्होंने और वाइमन ने उनका परीक्षण करने के लिए एक अल्पकालिक प्रयोग की तलाश की। उन्हें जो उत्तर मिला वह लेजर कूलिंग था। वाइमन याद करते हैं, "इस छात्र की थीसिस को पूरा करना एक मजेदार छोटी सी बात थी," और इस तरह मैं पूरी तरह से [लेजर कूलिंग] में आ गया।

1986 में वॉट्स और वाइमन बने सबसे पहले सीज़ियम परमाणुओं की एक किरण को लेजर द्वारा ठंडा किया गया. वाट्स पोस्टडॉक के रूप में लेज़र कूल रुबिडियम का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति भी थे स्टोनी ब्रुक विश्वविद्यालय में हैल मेटकाफ न्यूयॉर्क में, और उन्होंने मौलिक प्रयोगों में भाग लिया जिससे सब-डॉपलर कूलिंग का पता चला बिल फिलिप्स' गैथर्सबर्ग, मैरीलैंड में यूएस नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड टेक्नोलॉजी (एनआईएसटी) में प्रयोगशाला। हालाँकि, इस इतिहास में हमें मिलने वाले एक अन्य प्रमुख खिलाड़ी की तरह, वॉट्स ने बहुत जल्द ही मंच छोड़ दिया, 39 में केवल 1996 वर्ष की आयु में उनकी मृत्यु हो गई।

इस बीच, वाइमन को एक नए वैज्ञानिक लक्ष्य की आवश्यकता थी, कुछ ऐसा जो केवल ठंडे परमाणुओं के साथ ही किया जा सकता था। उन्होंने, नए सहयोगियों और प्रतिस्पर्धियों के साथ, इसे एक त्रुटिहीन वैज्ञानिक वंशावली के साथ एक बहुत पुराने विचार में पाया: बोस-आइंस्टीन संक्षेपण।

नीचे तक एक दौड़

1924 में सत्येंद्र नाथ बोस में एक भौतिक विज्ञानी थे ढाका विश्वविद्यालय जो अब बांग्लादेश है. क्वांटम भौतिकी के नए और तेजी से विकसित हो रहे क्षेत्र को पढ़ाते समय, उन्होंने महसूस किया कि गर्म वस्तु से प्रकाश के स्पेक्ट्रम के लिए मैक्स प्लैंक का सूत्र फोटॉन के व्यवहार को नियंत्रित करने वाले सांख्यिकीय नियमों से प्राप्त किया जा सकता है, जो कि शास्त्रीय कणों की तुलना में कहीं अधिक होने की संभावना है। उन्हीं राज्यों में पाया जाता है।

बोस को अपना काम प्रकाशित करने में परेशानी हो रही थी, इसलिए उन्होंने अल्बर्ट आइंस्टीन को एक प्रति भेजी, जो उन्हें इतनी पसंद आई कि उन्होंने इसे प्रकाशित करने की व्यवस्था की। में प्रकाशित ज़िट्सक्रिफ्ट फर फिजिक अपने स्वयं के एक कागज़ के साथ। आइंस्टीन के योगदान में फोटॉन आंकड़ों को अन्य प्रकार के कणों (परमाणुओं सहित) तक विस्तारित करना और एक दिलचस्प परिणाम को इंगित करना शामिल है: बहुत कम तापमान पर, सिस्टम की सबसे संभावित स्थिति सभी कणों के लिए एक ही ऊर्जा स्थिति पर कब्जा करना है।

इस सामूहिक अवस्था को अब बीईसी कहा जाता है और यह सुपरफ्लुइडिटी और सुपरकंडक्टिविटी से निकटता से संबंधित है, जो पूर्ण शून्य के करीब तापमान पर तरल और ठोस (क्रमशः) में देखे जाते हैं। हालाँकि, बीईसी संक्रमण स्वयं सैद्धांतिक रूप से परमाणुओं की एक पतली गैस में हो सकता है - ठीक उसी तरह जैसे परमाणु भौतिकविदों ने 1970 के दशक में बनाना शुरू किया था।

हालाँकि, कुछ बाधाएँ थीं। एक यह है कि महत्वपूर्ण तापमान जिस पर बीईसी बनता है वह घनत्व द्वारा निर्धारित होता है: घनत्व जितना कम होगा, महत्वपूर्ण तापमान उतना ही कम होगा। हालाँकि सिसिफ़स के ठंडा होने से माइक्रोकेल्विन तापमान संभव हो गया, लेज़र-कूल्ड परमाणु वाष्प इतने फैले हुए हैं कि उनका संक्रमण तापमान नैनोकेल्विन रेंज में और भी कम है। यह एकल फोटॉन को अवशोषित करने या उत्सर्जित करने वाले परमाणुओं से जुड़े "रिकॉइल तापमान" से भी कम है। इसलिए इस सीमा से नीचे शीतलन लेजर के बिना किया जाना चाहिए।

एक समय में एक वाष्पीकरण

इन समस्याओं का सामान्य समाधान यहीं से निकला डेनियल क्लेपनर और मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) में सहकर्मी। यह उस तंत्र के समान है जो एक कप चाय को ठंडा करता है। चाय में पानी के अणु अलग-अलग गति से चलते हैं, और सबसे तेज़ गति से मुक्त होने और जल वाष्प के रूप में तैरने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। क्योंकि ये "पलायन" औसत से अधिक मात्रा में ऊर्जा ले जाते हैं, शेष अणु ठंडे हो जाते हैं। एक बार जब उनकी गति में ऊर्जा अणुओं के बीच टकराव के माध्यम से पुनर्वितरित हो जाती है, तो सिस्टम कम तापमान पर एक नए संतुलन तक पहुंच जाता है (चित्र 2)।

क्लेपनर की विधि को बाष्पीकरणीय शीतलन के रूप में जाना जाता है, और इसके लिए दो तत्वों की आवश्यकता होती है: जाल से सबसे गर्म परमाणुओं को चुनिंदा रूप से हटाने का एक साधन, और परमाणुओं के बीच टकराव की दर जो नमूने को बाद में फिर से संतुलित करने के लिए पर्याप्त है। पहला तत्व फोटॉन रिकॉइल समस्या के समाधान के साथ आया: परमाणुओं को मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप (एमओटी) से शुद्ध रूप से चुंबकीय ट्रैप में स्थानांतरित करके "अंधेरे में" रखा जा सकता है, जैसा कि फिलिप्स ने पहली बार बनाया था। 1983 में। "गर्म" परमाणुओं की उच्च ऊर्जा के लिए उन्हें सीमित करने के लिए एक बड़े चुंबकीय क्षेत्र की आवश्यकता होती है, और यह बड़ा चुंबकीय क्षेत्र परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों में एक ज़ीमन बदलाव पैदा करता है। इस प्रकार एक उचित रूप से ट्यून किया गया रेडियो-फ़्रीक्वेंसी सिग्नल इस उच्च क्षेत्र में "गर्म" परमाणुओं को ठंडे परमाणुओं को परेशान किए बिना एक अन-फंसे हुए राज्य में फ़्लिप कर सकता है। पीछे बचे ठंडे परमाणु भी छोटी मात्रा तक ही सीमित हैं, इसलिए जैसे-जैसे तापमान घटता है घनत्व बढ़ता है, सिस्टम दो तरीकों से बीईसी के करीब आता है।

हालाँकि, टकराव का मुद्दा प्रयोगवादियों के हाथ से बाहर है। प्रासंगिक दर को एक पैरामीटर द्वारा वर्णित किया गया है: विशेष राज्यों में टकराने वाले परमाणुओं की एक जोड़ी के लिए तथाकथित बिखरने की लंबाई। यदि यह प्रकीर्णन लंबाई मध्यम रूप से बड़ी और सकारात्मक है, तो वाष्पीकरण तेजी से आगे बढ़ेगा और परिणामी संघनन स्थिर होगा। यदि प्रकीर्णन की लंबाई बहुत छोटी है, तो वाष्पीकरण बहुत धीमा होगा। यदि यह नकारात्मक है, तो घनीभूत अस्थिर होगा।

स्पष्ट समाधान सही बिखरने वाली लंबाई के साथ एक परमाणु चुनना है, लेकिन इस पैरामीटर को पहले सिद्धांतों से गणना करना बेहद मुश्किल हो जाता है। इसे अनुभवजन्य रूप से निर्धारित करने की आवश्यकता है, और 1990 के दशक की शुरुआत में किसी ने भी आवश्यक प्रयोग नहीं किए थे। नतीजतन, जिन समूहों ने बीईसी का अनुसरण करना शुरू किया, उन्होंने आवर्त सारणी से अलग-अलग तत्वों को चुना, प्रत्येक को उम्मीद थी कि "उनका" "सही" हो सकता है। वाइमन और उनके नए सहयोगी एरिक कॉर्नेल यहां तक ​​कि सीज़ियम से रुबिडियम में भी स्विच किया गया क्योंकि रुबिडियम के दो स्थिर आइसोटोप ने उनकी संभावना दोगुनी कर दी।

"वह कभी काम नहीं करेगा"

चूँकि लेज़रों को बंद करके और चुंबक कुंडलियों के माध्यम से अधिक धारा प्रवाहित करके एक एमओटी को पूरी तरह से चुंबकीय जाल में बदला जा सकता है, बीईसी की ओर पहला कदम लेज़र-कूलिंग प्रयोगों का सीधा विस्तार था। परिणामी "क्वाड्रुपोल ट्रैप" कॉन्फ़िगरेशन में केवल एक बड़ी समस्या है: ट्रैप के केंद्र में क्षेत्र शून्य है, और शून्य क्षेत्र में, परमाणु अपनी आंतरिक स्थिति को ऐसी स्थिति में बदल सकते हैं जो अब फंसती नहीं है। जाल केंद्र से परमाणुओं के इस "रिसाव" को रोकने के लिए फंसे हुए परमाणुओं को बदलती अवस्थाओं से बचाने का एक तरीका खोजने की आवश्यकता है।

कई वर्षों तक, यह लेज़र-कूलिंग अनुसंधान का एक प्रमुख क्षेत्र था। कॉर्नेल और वाइमन के अलावा, तीव्र बीईसी दौड़ में मुख्य दावेदारों में से एक था एमआईटी के वोल्फगैंग केटरले. उनके समूह ने "प्लग" के रूप में जाल के केंद्र पर केंद्रित नीले-डिट्यून्ड लेजर का उपयोग करके परमाणुओं को शून्य-क्षेत्र क्षेत्र से दूर धकेलने का एक तरीका विकसित किया। कॉर्नेल और वाइमन ने, अपनी ओर से, एक सर्व-चुंबकीय तकनीक का उपयोग किया जिसे उन्होंने टाइम ऑर्बिटिंग पोटेंशिअल (TOP) ट्रैप कहा।

कॉर्नेल ने 1994 की शुरुआत में एक सम्मेलन से वापस लौटते समय टीओपी विकसित किया, जो आंशिक रूप से उनके तंत्र में व्यवधान को सीमित करने की आवश्यकता से प्रेरित था। हालाँकि उनके और वाइमन के पास एक और लेजर बीम के लिए जगह नहीं थी, वे चतुर्भुज कॉइल के लंबवत अक्ष के चारों ओर एक छोटा अतिरिक्त कॉइल जोड़ सकते थे, और इससे शून्य-क्षेत्र की स्थिति बदल जाएगी। जाल में परमाणु निश्चित रूप से नए शून्य की ओर बढ़ेंगे, लेकिन जल्दी से नहीं। यदि वे शून्य को एक वृत्त में प्रति सेकंड कुछ सौ बार घुमाने के लिए दोलन धाराओं द्वारा संचालित अलग-अलग अक्षों पर दो छोटे कॉइल का उपयोग करते हैं, तो यह इसे कॉर्नेल के शब्दों में, "हर जगह जहां परमाणु नहीं हैं" रखने के लिए पर्याप्त हो सकता है।

उन्होंने गर्मियों में एक सस्ते ऑडियो एम्पलीफायर द्वारा संचालित एक छोटे कॉइल का उपयोग करके इस विचार का परीक्षण किया। सबसे पहले, अतिरिक्त फ़ील्ड ने कॉइल्स को उनके ग्लास वाष्प सेल के चारों ओर खतरनाक रूप से खड़खड़ाने के लिए प्रेरित किया, और संचालित कॉइल्स ने एक भेदी, उच्च-ध्वनि वाली ध्वनि बनाई, लेकिन सिद्धांत ध्वनि था, इसलिए उन्होंने एक मजबूत संस्करण बनाया। कुछ महीने बाद, 1995 की शुरुआत में, कॉर्नेल ने केटरले के साथ ट्रैप योजनाओं पर चर्चा की, और यह सोचकर चले गए कि एमआईटी टीम का ऑप्टिकल प्लग "कभी काम नहीं करेगा।" यह मूल रूप से वहां की ओर इशारा करने वाली एक बड़ी पुरानी स्विज़ल स्टिक होगी। हालाँकि, वह स्वीकार करते हैं कि केटरले ने भी TOP के बारे में ऐसा ही महसूस किया होगा: "वह शायद सोच रहे हैं कि 'यह मेरे पूरे जीवन में अब तक का सबसे मूर्खतापूर्ण विचार है।' इसलिए हम दोनों उस बातचीत से बहुत संतुष्ट होकर चले गए।"

जैसा कि हुआ, दोनों तकनीकों ने वास्तव में काम किया। कॉर्नेल और वाइमन इसे प्रदर्शित करने वाले पहले व्यक्ति थे, जिन्होंने प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की, जिसमें उन्होंने अपने ठंडे परमाणु बादल के माध्यम से एक लेजर किरण को चमकाया। इन "स्नैपशॉट" के दौरान, बादल में परमाणु लेजर से फोटॉन को अवशोषित करेंगे, जिससे किरण में एक छाया निकल जाएगी। इस छाया की गहराई बादल के घनत्व का माप थी, जबकि बादल का आकार परमाणुओं के तापमान का संकेत देता था। जैसे-जैसे वाष्पीकरण बढ़ता गया, स्नैपशॉट में परमाणुओं का एक गोलाकार सममित बादल धीरे-धीरे सिकुड़ता और ठंडा होता दिखा, क्योंकि गर्म परमाणु धीरे-धीरे हट रहे थे।

फिर, जून 1995 में, लगभग 170 नैनोकेल्विन के तापमान पर, कुछ नाटकीय घटित हुआ: उनकी छवियों के केंद्र में एक छोटा सा काला धब्बा दिखाई दिया, जो काफी कम तापमान और उच्च घनत्व पर परमाणुओं का प्रतिनिधित्व करता था। कॉर्नेल का कहना है कि जो कुछ चल रहा था उसे समझने में ज्यादा समय नहीं लगा: “केंद्रीय घनत्व बस बढ़ गया है। यदि बोस-आइंस्टीन संघनन नहीं तो वहां क्या हो रहा है?”

अपने संदेह की पुष्टि करने के लिए, उन्होंने और वाइमन ने अपनी कुछ छाया छवियों को अब-प्रतिष्ठित त्रि-आयामी भूखंडों में बदल दिया ("सबसे अच्छे परिणाम" छवि देखें) जिसमें थर्मल परमाणुओं को एक व्यापक पेडस्टल के रूप में और बीईसी को "स्पाइक" के रूप में दिखाया गया है। केंद्र। स्पाइक का आकार - एक दिशा में दूसरे की तुलना में व्यापक - एक सुराग को कूटबद्ध करता है। क्योंकि उनका टीओपी जाल क्षैतिज की तुलना में ऊर्ध्वाधर दिशा में अधिक मजबूत था, कंडेनसेट को उस दिशा में अधिक कसकर निचोड़ा गया था, जिसका अर्थ है कि रिलीज के बाद यह उस दिशा में अधिक तेजी से विस्तारित हुआ। हालाँकि उन्होंने इस आकार परिवर्तन की भविष्यवाणी नहीं की थी, वे तुरंत इसे समझाने में सक्षम थे, जिससे उनका विश्वास बढ़ गया कि वे बीईसी के "पवित्र कब्र" तक पहुँच गए थे।

कॉर्नेल और वाइमन ने जून 1995 की शुरुआत में एक प्रेस कॉन्फ्रेंस में अपने परिणामों की घोषणा की (उन दिनों के लिए असामान्य रूप से)। उनका पेपर प्रकाशित हुआ था विज्ञान अगले महीने. सितंबर में, केटरले और सहकर्मियों ने 3डी प्लॉट का अपना सेट तैयार किया, जिसमें एक समान "स्पाइक" दिखाई दे रही थी, जो सोडियम परमाणुओं के बादल के संक्रमण तापमान तक पहुंचने पर उभर रहा था। कॉर्नेल, वाइमन और केटरले साझा करने के लिए आगे बढ़े 2001 भौतिकी के लिए नोबेल पुरस्कार तनु परमाणु वाष्प में बीईसी की उपलब्धि के लिए।

फर्मियन्स को उनका चैंपियन मिल गया

1995 के शुरुआती महीनों में, कॉर्नेल ने एक नए पोस्टडॉक की भर्ती की, दबोरा "डेबी" जिन. उनके पति जॉन बोहन, बोल्डर में एनआईएसटी के एक भौतिक विज्ञानी, कॉर्नेल को याद करते हुए कहते हैं, "बहुत से लोग आपको बताएंगे कि बीईसी में अभी भी कई साल बाकी हैं, लेकिन मुझे सच में लगता है कि हम इसे करने जा रहे हैं।" वह सही था: पहली बीईसी उस समय के बीच हुई जब जिन नौकरी लेने के लिए सहमत हुई और जब उसने काम शुरू किया।

जिन एक अलग शोध समुदाय से आती थीं - उनकी थीसिस विदेशी सुपरकंडक्टर्स पर थी - लेकिन उन्होंने जल्दी ही लेजर और ऑप्टिक्स के बारे में जान लिया, और बीईसी के गुणों की जांच करने वाले शुरुआती प्रयोगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। एक उभरते सितारे के रूप में, उनके पास स्थायी पद के कई प्रस्ताव थे, लेकिन उन्होंने JILA में रहने का फैसला किया, जो एक हाइब्रिड संस्थान है जो कोलोराडो विश्वविद्यालय और NIST की विशेषज्ञता को जोड़ती है। वहां, अपने काम को कॉर्नेल और वाइमन के काम से अलग करने के लिए, उन्होंने अल्ट्रा-लो-तापमान व्यवहार के अन्य वर्ग को आगे बढ़ाने का फैसला किया: पतित फर्मी गैसें।

जहां बोसॉन को सांख्यिकीय नियमों द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जिससे उनमें से दो के एक ही ऊर्जा अवस्था में पाए जाने की अधिक संभावना होती है, फ़र्मियन को राज्यों को साझा करने से बिल्कुल मना किया जाता है। इलेक्ट्रॉनों पर लागू, यह पाउली अपवर्जन सिद्धांत है जो रसायन विज्ञान की बहुत व्याख्या करता है: एक परमाणु में इलेक्ट्रॉन उपलब्ध ऊर्जा अवस्थाओं को "भरते" हैं, और अंतिम इलेक्ट्रॉनों की सटीक स्थिति किसी दिए गए तत्व के रासायनिक गुणों को निर्धारित करती है। चुंबकीय जाल में फर्मिओनिक परमाणु एक समान नियम का पालन करते हैं: जैसे ही गैस को ठंडा किया जाता है, सबसे निचली अवस्था भर जाती है। हालाँकि, कुछ बिंदु पर, सभी कम-ऊर्जा वाले राज्य भरे हुए हैं, और बादल अब और सिकुड़ नहीं सकते हैं। बीईसी की तरह, यह पूरी तरह से क्वांटम घटना है, जिसका कणों के बीच की बातचीत से कोई लेना-देना नहीं है, इसलिए इसे अल्ट्राकोल्ड परमाणुओं की गैस में देखा जाना चाहिए।

जिन ने 1997 में एक स्नातक छात्र के साथ JILA में शुरुआत की, ब्रायन डेमार्को, जिसे कॉर्नेल ने काम पर रखा था लेकिन कॉर्नेल की सिफारिश पर उसने जिन के साथ काम करना शुरू कर दिया। जैसा कि डेमार्को याद करते हैं, कॉर्नेल ने उनसे कहा, "यदि आप और डेबी डीएफजी बनाने वाले पहले व्यक्ति हो सकते हैं, तो यह एक बड़ी बात होगी, और इसे करने का एक अच्छा मौका है।"

इस जोड़ी की शुरुआत एक खाली प्रयोगशाला से हुई, जिसमें फर्नीचर तक का अभाव था। बोहन को याद है कि वे जिन के साथ कार्यालय में फर्श पर बैठे थे और अपने भविष्य के लेज़रों के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स असेंबल कर रहे थे। हालाँकि, एक साल के भीतर, उनके पास चुंबकीय जाल और वाष्पीकरणीय रूप से फर्मिओनिक पोटेशियम परमाणुओं को ठंडा करने के लिए एक कार्यशील उपकरण था।

डीएफजी की खोज बीईसी दौड़ में सामना की गई चुनौतियों से परे दो चुनौतियों का सामना करती है। इनमें से पहला यह है कि अति-निम्न तापमान पर, बाष्पीकरणीय शीतलन के पुन: संतुलन चरण के लिए आवश्यक टकराव रुक जाते हैं क्योंकि दो फर्मियनों के एक ही अवस्था में होने पर प्रतिबंध उन्हें टकराने से रोकता है। इसे हल करने के लिए, जिन और डेमार्को ने अपने आधे परमाणुओं को एक अलग आंतरिक स्थिति में रखा, जिससे वाष्पीकरण को सक्षम करने के लिए पर्याप्त क्रॉस-स्टेट टकराव प्रदान किया गया। प्रक्रिया के अंत में, वे दो राज्यों में से एक को हटा सकते हैं और बाकी की छवि बना सकते हैं।

दूसरा मुद्दा यह है कि जबकि बीईसी का प्रायोगिक हस्ताक्षर परमाणु बादल के बीच में एक विशाल घनत्व स्पाइक है, फर्मी डिजनरेसी अधिक सूक्ष्म है। परमाणुओं के एक साथ एकत्रित होने से इनकार करने की मुख्य घटना संक्रमण तापमान तक पहुंचने के बाद बादलों के सिकुड़ने के बंद होने के रूप में अस्वाभाविक रूप से प्रकट होती है। थर्मल क्लाउड से विकृत गैस को अलग करने के तरीके पर काम करने के लिए सावधानीपूर्वक मॉडलिंग और एक इमेजिंग प्रणाली की आवश्यकता होती है जो वितरण के आकार में छोटे बदलावों को विश्वसनीय रूप से माप सके।

परमाणुओं की एक फर्मी गैस

इन चुनौतियों के बावजूद, एक खाली कमरे से शुरुआत करने के मात्र 18 महीने बाद, जिन और डेमार्को ने विकृत फर्मी गैस का पहला अवलोकन प्रकाशित किया। कुछ साल बाद, केटरले के नेतृत्व वाली टीमें, रैंडी हुलेट राइस विश्वविद्यालय में, क्रिस्टोफ़ सॉलोमन पेरिस में ईएनएस में, और जॉन थॉमस ड्यूक विश्वविद्यालय में, अनुसरण किया गया।

इस बीच, जिन ने विकृत परमाणुओं को अणुओं में बदलने के लिए लेजर और चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करना शुरू कर दिया, जिससे अल्ट्राकोल्ड रसायन विज्ञान में नए मोर्चे खुले। इस कार्य ने कई प्रशंसाएँ अर्जित कीं, जिनमें शामिल हैं मैकआर्थर फाउंडेशन "प्रतिभाशाली अनुदान", अमेरिकन फिजिकल सोसायटी की ओर से मुझे रबी पुरस्कार (एपीएस) और भौतिकी संस्थान का आइजैक न्यूटन पदक. जिन अल्ट्राकोल्ड-एटम भौतिकी में एक और नोबेल पुरस्कार के लिए दावेदार होतीं, लेकिन अफसोस, वह 2016 में कैंसर से मृत्यु हो गई, और पुरस्कार मरणोपरांत नहीं दिया जाता है।

हालाँकि, पुरस्कारों से परे, जिन की विरासत पर्याप्त है। उनके द्वारा शुरू किया गया उप-क्षेत्र परमाणु भौतिकी के सबसे महत्वपूर्ण क्षेत्रों में से एक बन गया है, और उनके पूर्व छात्र और सहकर्मी अल्ट्राकोल्ड फर्मियन के अध्ययन का नेतृत्व करना जारी रखते हैं। मार्गदर्शन के प्रति उनकी प्रतिबद्धता की मान्यता में, एपीएस ने परमाणु, आणविक या ऑप्टिकल भौतिकी में उत्कृष्ट डॉक्टरेट थीसिस अनुसंधान के लिए एक वार्षिक डेबोरा जिन पुरस्कार बनाया।

चल रही खोज का इतिहास

यह शृंखला आधी सदी से कुछ अधिक समय को कवर करती है। उस समय के दौरान, परमाणुओं में हेरफेर करने के लिए लेजर का उपयोग करने का विचार बेल लैब्स के एक भौतिक विज्ञानी के मन में एक निष्क्रिय जिज्ञासा से अत्याधुनिक भौतिकी के विशाल क्षेत्र के लिए एक मूलभूत तकनीक में बदल गया। लेज़र-कूल्ड आयन अब क्वांटम सूचना विज्ञान के विकास के लिए सबसे महत्वपूर्ण प्लेटफार्मों में से एक हैं। लेजर-ठंडा तटस्थ परमाणु दुनिया की सर्वश्रेष्ठ परमाणु घड़ियों के लिए आधार प्रदान करते हैं। और कॉर्नेल, वाइमन, केटरले और जिन द्वारा पहली बार देखी गई क्वांटम डीजेनरेट प्रणालियों ने एक विशाल उप-क्षेत्र को जन्म दिया जो परमाणु भौतिकी को संघनित-पदार्थ भौतिकी और रसायन विज्ञान से जोड़ता है। लेजर-ठंडा परमाणु भौतिकी अनुसंधान के लिए महत्वपूर्ण बने हुए हैं, और दुनिया भर की प्रयोगशालाओं में प्रतिदिन नया इतिहास लिखा जा रहा है।

• एसईओ संचालित सामग्री और पीआर वितरण। आज ही प्रवर्धित हो जाओ।
• प्लेटोडेटा.नेटवर्क वर्टिकल जेनरेटिव एआई। स्वयं को शक्तिवान बनाएं। यहां पहुंचें।
• प्लेटोआईस्ट्रीम। Web3 इंटेलिजेंस। ज्ञान प्रवर्धित। यहां पहुंचें।
• प्लेटोईएसजी. कार्बन, क्लीनटेक, ऊर्जा, पर्यावरण, सौर, कचरा प्रबंधन। यहां पहुंचें।
• प्लेटोहेल्थ। बायोटेक और क्लिनिकल परीक्षण इंटेलिजेंस। यहां पहुंचें।
• स्रोत: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/