ٹھنڈا: کس طرح طبیعیات دانوں نے لیزر کولنگ کی نظریاتی حد کو شکست دی اور کوانٹم انقلاب کی بنیاد رکھی – فزکس ورلڈ

1960 کی دہائی کے آخر میں محققین کی ایک چھوٹی سی جماعت نے چھوٹی چیزوں کو ارد گرد دھکیلنے کے لیے روشنی سے قوتوں کا استعمال شروع کیا۔ اگلی دہائی کے اندر، اس فیلڈ میں لیزر کولنگ شامل کرنے کے لیے توسیع کی گئی، جو کہ ایک طاقتور تکنیک ہے جو اس کا استحصال کرتی ہے۔ ڈاپلر شفٹ ایک ایسی قوت پیدا کرنے کے لیے جو صرف اشیاء کو سست کر سکے، اور انہیں کبھی تیز نہ کر سکے۔ جیسے جیسے سال گزرتے گئے، لیزر کولنگ کے یہ نئے تجربات دو متوازی پٹریوں - آئنوں اور ایٹموں کے ساتھ تیار ہوئے اس سیریز کا حصہ 1: "سردی: کس طرح طبیعیات دانوں نے لیزر کولنگ کے ساتھ ذرات کو جوڑنا اور منتقل کرنا سیکھا".

بہت سے طریقوں سے، آئنوں کا ابتدائی فائدہ تھا۔ اپنے برقی چارج کی وجہ سے، وہ برقی مقناطیسی قوتوں کا تجربہ کرتے ہیں، جو اتنی مضبوط ہوتی ہیں کہ وہ اعلی درجہ حرارت پر برقی مقناطیسی جال میں پھنس سکتے ہیں اور الٹرا وایلیٹ طول موج پر لیزر کے ذریعے ٹھنڈا ہو سکتے ہیں۔ 1981 تک آئن ٹریپرز نے اس تکنیک کو اس مقام تک بہتر کیا تھا جہاں وہ سنگل آئنوں کو پھنس سکتے تھے اور ان کا پتہ لگا سکتے تھے اور بے مثال درستگی کے ساتھ ان پر سپیکٹروسکوپی کر سکتے تھے۔

اس کے برعکس، ایٹموں کو کم کرنے کی ضرورت ہے اس سے پہلے کہ وہ روشنی اور مقناطیسی شعبوں کے ذریعے استعمال ہونے والی کمزور قوتوں کے ذریعے پھنس جائیں۔ پھر بھی، 1985 تک بل فلپس اور ساتھیوں میں یو ایس نیشنل بیورو آف اسٹینڈرڈز گیتھرزبرگ، میری لینڈ میں، سوڈیم ایٹموں کی بیم کو تقریباً روکنے کے لیے روشنی کا استعمال کیا، پھر انہیں مقناطیسی جال میں قید کر دیا۔ اس سے آگے، ایٹم ٹیمرز کے لیے بنیادی چیلنج غیر جانبدار ایٹموں کے پھنسنے کو زیادہ موثر بنانے، اور خود کولنگ کے عمل کی حدود کو آگے بڑھانے کے لیے اس کام کو آگے بڑھانا شامل ہے۔

دونوں منصوبے کسی کی توقعات سے بڑھ کر کامیاب ہوں گے۔ اور جیسا کہ ہم نے حصہ 1 میں دیکھا، اس کامیابی کی جڑیں واپس جاتی ہیں۔ آرتھر اشکن at بیل لیبز.

اچھا خیال، ناکافی عملدرآمد

جب ہم آخری بار اشکن سے ملے تھے، یہ 1970 تھا اور اس نے ابھی "آپٹیکل ٹوئیزنگ" تکنیک تیار کی تھی جو اسے تقریباً 50 سال بعد نوبل پرائز دے گی۔ 1970 کی دہائی کے آخر تک وہ اپنے بیل لیبز کے ساتھیوں کے ساتھ ایٹم بیم کے تجربات پر کام کر رہا تھا۔ "ریک فری مین ایک ایٹم بیم مشین تھی، اور میرے پاس کچھ تجربات تھے جو ایک ایٹم بیم کے ساتھ کرنا دلچسپ ہوں گے، لیکن میں ایک ایٹم بیم مشین بنانے کے بارے میں زیادہ پرجوش نہیں تھا،‘‘ اشکن کے اس وقت کے ساتھی جان بیورخولم یاد کرتے ہیں۔

ایٹموں کی شہتیر کے ساتھ لیزر بیم کو اوور لیپ کرکے، اشکن اور بیجورخولم نے دکھایا کہ روشنی کی فریکوئنسی کو ایڈجسٹ کرکے ایٹموں کو فوکس یا ڈی فوکس کرنا ممکن ہے۔ لیزر کو سرخ رنگ میں ٹیون کرنے کے ساتھ - ایٹم جذب کرنا "چاہتے ہیں" سے تھوڑی کم فریکوئنسی پر - ایٹموں اور روشنی کے درمیان تعامل ایٹموں کی اندرونی توانائی ("لائٹ شفٹ") کو کم کرے گا، ایٹموں کو لیزر بیم میں کھینچتا ہے۔ لیزر کو نیلے رنگ سے جوڑنے کے ساتھ، ایٹموں کو باہر دھکیل دیا گیا۔

اشکن کے پاس ایٹموں کو پھنسانے کے لیے اس رجحان کو ایک "آل آپٹیکل" طریقہ میں تبدیل کرنے کے لیے کئی خیالات تھے (یعنی فلپس کے گروپ کے مقناطیسی فیلڈز کے بغیر)۔ بدقسمتی سے، اشکن اور Bjorkholm نے اسے نافذ کرنے کے لیے جدوجہد کی کیونکہ فری مین کی ایٹم بیم کو plexiglass ونڈوز کے ساتھ بنایا گیا تھا جو کافی کم دباؤ کو برقرار نہیں رکھ سکتا تھا۔ باہر سے لیک ہونے والے ایٹم اور مالیکیول کولنگ لیزرز سے متاثر نہیں ہوئے اور اس کے نتیجے میں جب وہ شہتیر میں موجود ایٹموں سے ٹکرا گئے تو انہوں نے ہدف والے ایٹموں کو جال سے باہر نکال دیا۔ مایوس کن نتائج کے چند سالوں کے بعد، بیل لیبز کی قیادت نے تجربات پر زور دیا اور اشکن کو دوسری چیزوں کا پیچھا کرنے پر مجبور کیا۔

چپچپا سیال میں تیرنے والے

اس وقت کے آس پاس، ایک نوجوان محقق جس کی (خود بیان کردہ) شہرت "ایک ایسا آدمی ہے جو مشکل تجربات کر سکتا ہے"، بیل لیبز کی ہولمڈل سہولت میں اشکنز کے قریب ایک دفتر میں چلا گیا۔ اس کا نام تھا سٹیو چو، اور وہ اشکن کے خیالات میں دلچسپی لینے لگا۔ انہوں نے مل کر ایک انتہائی ہائی ویکیوم سسٹم بنایا جو ایٹم کو ٹھنڈا کرنے اور پھنسنے کے لیے موزوں ہے، نیز بدلتی ہوئی ڈوپلر شفٹ کی تلافی کے لیے لیزر فریکوئنسی کو تیزی سے صاف کرکے سوڈیم ایٹموں کو سست کرنے کے لیے ایک نظام بنایا۔ مؤخر الذکر تکنیک کو "چرپ کولنگ" کہا جاتا ہے۔ خوشگوار اتفاق سے، سائنسدان جنہوں نے اس کی ایک اہم ٹیکنالوجی تیار کی وہ بھی ہولمڈیل میں تھے۔

اس مقام پر، چو نے تجویز پیش کی کہ انہوں نے ایٹموں کو پہلے سے ٹھنڈا کر کے ان کو تین کھڑے جوڑوں کے انسداد پروپیگیٹنگ لیزر بیموں سے روشن کیا، جو کہ تمام ایٹموں کی منتقلی کی فریکوئنسی کے بالکل نیچے ایک فریکوئنسی کے مطابق ہیں جیسا کہ حصہ 1 میں زیر بحث آیا ہے۔ یہ ترتیب کولنگ فورس فراہم کرتی ہے۔ تینوں جہتوں میں بیک وقت: اوپر کی طرف بڑھنے والا ایٹم نیچے کی طرف جانے والی لیزر بیم کو ڈوپلر اوپر منتقل ہوتا دیکھتا ہے، فوٹون کو جذب کرتا ہے، اور سست ہوتا ہے۔ بائیں حرکت کرنے والا ایٹم دائیں طرف جانے والی شہتیر میں فوٹونز کو اوپر منتقل ہوتا دیکھتا ہے، وغیرہ۔ اس سے کوئی فرق نہیں پڑتا ہے کہ ایٹم کس طرح حرکت کرتے ہیں، وہ اپنی حرکت کے خلاف ایک قوت محسوس کرتے ہیں۔ چپچپا سیال میں تیراک کی حالت زار سے مماثلت نے چو کو اسے "آپٹیکل مولاسیس" کا نام دیا (شکل 1)۔

بیل لیبز کی ٹیم نے 1985 میں آپٹیکل گڑ کا مظاہرہ کیا، جس میں چہچہاتے ہوئے ٹھنڈے ہوئے شہتیر سے ہزاروں ایٹم جمع کیے گئے۔ جیسا کہ نام کے مطابق ہے، آپٹیکل گڑ بہت "چپچپا" تھا، جو باہر نکلنے سے پہلے ایک سیکنڈ کے دسویں حصے (عملی طور پر ایٹم فزکس میں ابدیت) کے لیے اوور لیپنگ بیم میں ایٹموں کو تھامے رکھتا تھا۔ گوڑ کے علاقے میں، ایٹم ٹھنڈے لیزرز سے روشنی کو مسلسل جذب اور دوبارہ خارج کر رہے ہیں، اس لیے وہ ایک پھیلے ہوئے چمکتے بادل کے طور پر ظاہر ہوتے ہیں۔ روشنی کی کل مقدار ایٹموں کی تعداد کا ایک آسان پیمانہ فراہم کرتی ہے۔

اشکن، چو اور ان کے ساتھی بھی ایٹموں کے درجہ حرارت کا اندازہ لگانے کے قابل تھے۔ انہوں نے یہ پیمائش کی کہ گڑ میں کتنے ایٹم تھے، تھوڑی دیر کے لیے لائٹ بند کر کے، پھر اسے آن کر کے دوبارہ نمبر کی پیمائش کی۔ اندھیرے کے وقفے کے دوران ایٹم کا بادل پھیل جائے گا، اور کچھ ایٹم گڑ کے شہتیر کے علاقے سے بچ جائیں گے۔ فرار ہونے کی اس شرح نے ٹیم کو ایٹموں کے درجہ حرارت کا حساب لگانے کی اجازت دی: تقریباً 240 مائیکرو کیلون - لیزر کولڈ سوڈیم ایٹموں کے لیے متوقع کم از کم کے مطابق۔

گڑ کو جال میں تبدیل کرنا

اس کے چپچپا ہونے کے باوجود، آپٹیکل گڑ ایک جال نہیں ہے۔ اگرچہ یہ ایٹموں کو سست کر دیتا ہے، ایک بار جب ایٹم لیزر بیم کے کنارے پر پہنچ جاتے ہیں، تو وہ بچ سکتے ہیں۔ ایک جال، اس کے برعکس، ایک ایسی قوت فراہم کرتا ہے جو پوزیشن پر منحصر ہوتا ہے، جوہریوں کو ایک مرکزی علاقے میں واپس دھکیلتا ہے۔

ٹریپ بنانے کا سب سے آسان طریقہ ایک مضبوطی سے مرکوز لیزر بیم کے ساتھ ہے، جیسا کہ آپٹیکل ٹویزر اشکن نے خوردبین اشیاء کو پھنسانے کے لیے تیار کیا ہے۔ جب کہ لیزر فوکس کا حجم گڑ کے حجم کا ایک چھوٹا سا حصہ ہے، اشکن، بیجورکولم اور (آزادانہ طور پر) چو نے محسوس کیا کہ اس کے باوجود ایٹموں کی ایک قابل ذکر تعداد گڑ میں بے ترتیب بازی کے ذریعے اس طرح کے جال میں جمع ہو سکتی ہے۔ جب انہوں نے اپنے گڑ میں ایک الگ، ٹریپنگ لیزر بیم کا اضافہ کیا، تو نتائج امید افزا تھے: پھیلے ہوئے مولاسیس کے بادل میں ایک چھوٹا سا روشن دھبہ نمودار ہوا، جو کئی سو پھنسے ہوئے ایٹموں کی نمائندگی کرتا ہے۔

تاہم، اس سے آگے بڑھتے ہوئے، تکنیکی چیلنجز پیش کیے گئے۔ مصیبت یہ ہے کہ جوہری توانائی کی سطحوں میں تبدیلی جو سنگل بیم آپٹیکل ٹریپنگ کو ممکن بناتی ہے کولنگ کے عمل کو روکتی ہے: جب ٹریپنگ لیزر ایٹم کی زمینی حالت کی توانائی کو کم کرتا ہے، تو یہ کولنگ لیزر کی مؤثر فریکوئنسی کو تبدیل کرتا ہے۔ دوسرے لیزر کا استعمال اور ٹھنڈک اور ٹریپنگ کے درمیان متبادل ایٹموں کی تعداد کو بہتر بناتا ہے جو پھنس سکتے ہیں، لیکن اضافی پیچیدگی کی قیمت پر۔ مزید پیش رفت کرنے کے لیے، طبیعیات دانوں کو یا تو ٹھنڈے ایٹموں یا کسی بہتر جال کی ضرورت ہوگی۔

فرانسیسی کنکشن

دونوں افق پر تھے۔ کلاڈ کوہن-تنودجی اور پیرس میں École Normale Supérieure (ENS) میں ان کا گروپ بنیادی طور پر نظریاتی طرف سے لیزر کولنگ کو ایڈریس کر رہا تھا۔ جین ڈالی بارڈاس کے بعد گروپ میں ایک نئے پی ایچ ڈی کو اشکن کے نظریاتی تجزیوں کا مطالعہ یاد ہے اور جم گورڈن ("ایک لاجواب کاغذ") اور وی کی سوویت جوڑی کے ذریعہladilen Letokhov اور Vladimir Minogin، جو (بورس ڈی پاولک کے ساتھ) نے 1977 میں لیزر کولنگ کے ساتھ کم سے کم درجہ حرارت حاصل کیا تھا۔

جیسا کہ ہم نے حصہ 1 میں دیکھا، یہ کم از کم درجہ حرارت ڈوپلر کولنگ کی حد کے طور پر جانا جاتا ہے، اور یہ بے ترتیب "ککس" سے پیدا ہوتا ہے جو اس وقت ہوتا ہے جب ایٹم کولنگ بیم میں سے کسی ایک سے روشنی جذب کرنے کے بعد فوٹون دوبارہ خارج کرتے ہیں۔ یہ "حد" واقعی کتنی مضبوط تھی اس کے بارے میں متجسس، ڈالی بارڈ نے ایٹموں کو زیادہ سے زیادہ "اندھیرے میں" رکھنے کے طریقے ڈھونڈے۔ ایسا کرنے کے لیے، اس نے حقیقی ایٹموں کی خاصیت کا استحصال کیا جو معیاری ڈوپلر کولنگ تھیوری کے ذریعے حاصل نہیں کیا گیا ہے: حقیقی جوہری حالتیں واحد توانائی کی سطح نہیں ہیں، بلکہ ایک ہی توانائی کے ساتھ ذیلی سطحوں کا مجموعہ ہے لیکن مختلف کونیی لمحات (شکل 2)۔

یہ مختلف ذیلی سطحیں، یا رفتار کی حالتیں، مقناطیسی میدان (زیمن اثر) کی موجودگی میں توانائی کو تبدیل کرتی ہیں۔ جیسے جیسے میدان مضبوط ہوتا جاتا ہے، کچھ ریاستیں توانائی میں اضافہ کرتی ہیں، جبکہ دیگر کم ہوتی ہیں۔ یہ کردار پھر پلٹ جاتے ہیں جب فیلڈ کی سمت پلٹ جاتی ہے۔ ایک اور پیچیدہ عنصر یہ ہے کہ لیزر لائٹ کا پولرائزیشن اس بات کا تعین کرتا ہے کہ کون سے ذیلی سطحیں فوٹون کو جذب کریں گی۔ جب کہ ایک پولرائزیشن ایٹموں کو ریاستوں کے درمیان اس طرح منتقل کرتی ہے جس سے کونیی رفتار میں اضافہ ہوتا ہے، دوسرا اسے کم کرتا ہے۔

اپنے نظریاتی تجزیے میں، ڈالیبارڈ نے ان ذیلی سطحوں کو ایک مقناطیسی میدان کے ساتھ جوڑ دیا جو کسی وقت صفر ہوتا ہے اور ایٹموں کے باہر کی طرف بڑھتے ہی بڑھتا ہے۔ ایسا کرتے ہوئے، اس نے ایک ایسی صورت حال پیدا کی جہاں موثر لیزر فریکوئنسی کا انحصار ایٹموں کی پوزیشن پر تھا۔ (فلپس اور ساتھیوں نے اپنے مقناطیسی جال کے لیے اسی طرح کی ترتیب کا استعمال کیا، لیکن بہت اونچے میدان میں۔) اس لیے ایٹم کسی خاص لیزر سے صرف اس مخصوص مقام پر جذب کر سکتے ہیں جہاں ڈیٹوننگ، ڈوپلر شفٹ، اور زیمن شفٹ کا امتزاج بالکل درست تھا ( شکل 3)۔

ڈالیبارڈ نے امید ظاہر کی کہ اس طرح روشنی جذب کرنے کی ایٹموں کی صلاحیت کو محدود کرنے سے ان کا کم از کم درجہ حرارت کم ہو سکتا ہے۔ اس کا حساب لگانے کے بعد کہ ایسا نہیں ہوگا، اس نے خیال کو دور کردیا۔ "میں نے دیکھا کہ یہ ایک جال تھا، لیکن میں پھندے کی تلاش میں نہیں تھا، میں سب ڈوپلر کولنگ کی تلاش میں تھا،" وہ بتاتے ہیں۔

اگر یہ نہ ہوتا تو شاید یہ وہیں ختم ہوتا ڈیو پرچرڈ، میساچوسٹس انسٹی ٹیوٹ آف ٹیکنالوجی کے ایک ماہر طبیعیات جنہوں نے 1986 میں پیرس گروپ کا دورہ کیا تھا۔ دورے کے دوران، پرچرڈ نے بڑے حجم کے ٹریپس بنانے کے خیالات پر بات کی، اور یہ کہہ کر بات ختم کی کہ وہ دیگر - بہتر - تجاویز کا خیرمقدم کریں گے۔

"میں ڈیو کے پاس گیا، اور میں نے کہا، 'ٹھیک ہے، میرے پاس ایک آئیڈیا ہے، اور مجھے یقین نہیں ہے کہ یہ بہتر ہے، لیکن یہ آپ سے مختلف ہے،'" ڈالی بارڈ یاد کرتے ہیں۔ پرچرڈ نے ڈالی بارڈ کے آئیڈیا کو واپس امریکہ لے گیا، اور 1987 میں اس نے اور چو نے ڈالی بارڈ کے تجزیہ کی بنیاد پر پہلا میگنیٹو آپٹیکل ٹریپ (MOT) بنایا۔ ڈالی بارڈ کو نتیجے میں مقالے کی شریک تصنیف کی پیشکش کی گئی لیکن اعترافات میں تسلیم کیے جانے پر خوشی ہوئی۔

یہ بتانا مشکل ہے کہ لیزر کولنگ کی ترقی کے لیے MOT کتنا انقلابی تھا۔ یہ نسبتاً آسان ڈیوائس ہے، جس میں مضبوط ٹریپس پیدا کرنے کے لیے صرف ایک لیزر فریکوئنسی اور نسبتاً کمزور مقناطیسی فیلڈ کی ضرورت ہوتی ہے۔ سب سے بہتر، اگرچہ، اس کی صلاحیت ہے. چو اور اشکن کے پہلے آل آپٹیکل ٹریپ میں سینکڑوں ایٹم تھے، فلپس کے پہلے مقناطیسی جال میں کئی ہزار، لیکن پہلے میگنیٹو آپٹیکل ٹریپ میں دس ملین ایٹم تھے۔ کولوراڈو یونیورسٹی میں کارل ویمن کے ذریعہ سستے ڈایڈڈ لیزرز کے تعارف کے ساتھ ساتھ (جس کے بارے میں مزید اس سیریز کے 3 حصے میں)، MOT کی آمد نے دنیا بھر میں لیزر کولنگ کا مطالعہ کرنے والے گروپوں کی تعداد میں تیزی سے دھماکہ کیا۔ تحقیق کی رفتار تیز ہونے والی تھی۔

مرفی کا قانون چھٹی لیتا ہے۔

جب پرچرڈ اور چو پہلا ایم او ٹی بنا رہے تھے، فلپس اور اس کے گیتھرسبرگ کے ساتھیوں کو اپنے آپٹیکل گڑ کے ساتھ ایک انتہائی غیر معمولی مسئلہ کا سامنا تھا۔ تجرباتی طبیعیات کی ہر توقع کے برعکس، گڑ نے بہت اچھا کام کیا۔ درحقیقت، یہ ایٹموں کو ٹھنڈا کر سکتا ہے یہاں تک کہ اس کے کچھ شہتیروں کو جزوی طور پر بلاک کر دیا گیا ہے۔

یہ دریافت جزوی طور پر ہوئی کیونکہ لیزر کولنگ فلپس کا سائیڈ پراجیکٹ سمجھا جاتا تھا، اس لیے اس کی لیب مشین کی دکان سے منسلک ایک پریپ روم میں قائم کی گئی۔ دکان کی دھول اور چکنائی کو لیبارٹری کے ویکیوم سسٹم پر جمع ہونے سے روکنے کے لیے، گروپ کے ممبران رات کے وقت سسٹم کی کھڑکیوں کو پلاسٹک یا فلٹر پیپر سے ڈھانپ دیتے تھے۔ "کبھی کبھار آپ کو یہ واقعی مسخ شدہ گڑ مل جائے گا،" یاد کرتے ہیں۔ پال لیٹ، جو 1986 میں گروپ میں شامل ہوا، "اور پھر آپ کو احساس ہوگا کہ، اوہ، ہم نے فلٹر پیپر کا وہ ٹکڑا نہیں نکالا۔ یہ قابل ذکر تھا کہ اس نے بالکل کام کیا۔

اس حیرت انگیز استقامت نے لیٹ کو مزید منظم مطالعہ کے لیے دباؤ ڈالا، جس میں درجہ حرارت کی پیمائش کا ایک نیا سیٹ بھی شامل ہے۔ بیل لیبز گروپ کے ذریعہ تیار کردہ "ریلیز اور دوبارہ حاصل کرنے" کے طریقہ کار میں نسبتاً بڑی غیر یقینی صورتحال تھی، اس لیے فلپس کے گروپ نے ایک نیا طریقہ آزمایا جس میں گڑ کے قریب رکھی گئی تحقیقاتی شہتیر کو عبور کرتے ہوئے ایٹموں کے ذریعے خارج ہونے والی روشنی کا پتہ لگانا شامل تھا۔ جب گڑ بند ہو جاتا تو ایٹم اڑ جاتے۔ تحقیقات تک پہنچنے میں جو وقت انہوں نے لیا اس سے ان کی رفتار اور اس طرح درجہ حرارت کا براہ راست اندازہ ہو گا۔

تمام لیزر کولنگ تجربات کی طرح، فلپس کی لیب نے ایک چھوٹی سی جگہ میں بہت سارے لینز اور آئینے پیک کیے، اور پروب لگانے کے لیے سب سے آسان جگہ گڑ کے علاقے سے قدرے اوپر نکلی۔ یہ ان کے ڈوپلر کی حد کی رفتار سے سفر کرنے والے ایٹموں کے لئے ٹھیک کام کرنا چاہئے تھا، لیکن جب لیٹ نے تجربہ کرنے کی کوشش کی، کوئی ایٹم تحقیقات تک نہیں پہنچا۔ آخر کار، اس نے اور اس کے ساتھیوں نے تحقیقات کی پوزیشن کو گڑ کے نیچے منتقل کر دیا، اس موقع پر انہوں نے ایک خوبصورت سگنل دیکھا۔ صرف ایک مسئلہ تھا: ڈوپلر کولنگ کی حد 240 مائیکرو کیلون تھی، لیکن اس "وقت کی پرواز" کی پیمائش نے 40 مائیکرو کیلون کا درجہ حرارت دکھایا۔

ایسا لگتا ہے کہ یہ نتیجہ مرفی کے قانون کی خلاف ورزی کرتا ہے، اس قول کہ "جو کچھ بھی غلط ہو سکتا ہے، وہ ہو جائے گا"، لہذا وہ اسے فوری طور پر قبول کرنے کو تیار نہیں تھے۔ انہوں نے کئی مختلف تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے درجہ حرارت کی دوبارہ پیمائش کی، بشمول ایک بہتر رہائی اور دوبارہ حاصل کرنا، لیکن وہ ایک ہی نتیجہ حاصل کرتے رہے: ایٹم اس نظریہ سے کہیں زیادہ ٹھنڈے تھے جو کہ ممکن تھا۔

1988 کے اوائل میں فلپس اور کمپنی نے لیزر کولرز کی قریبی برادری کے دوسرے گروپس سے رابطہ کیا، ان سے کہا کہ وہ اپنی لیبز میں درجہ حرارت چیک کریں۔ چو اور وائی مین نے حیران کن نتیجہ کی فوری تصدیق کی: آپٹیکل گڑ نے نہ صرف ایٹموں کو ٹھنڈا کرنے کے لیے کام کیا، بلکہ اس نے نظریہ سے بہتر کام کیا۔

ایک پہاڑی پر چڑھنا

پیرس گروپ کے پاس ابھی تک کوئی تجرباتی پروگرام نہیں تھا، لیکن ڈالی بارڈ اور کوہن-تنودجی نے نظریاتی طور پر مسئلے پر اسی حقیقی دنیا کے عنصر کے ذریعے حملہ کیا جو ڈیلی بارڈ نے MOT کو تیار کرنے کے لیے استعمال کیا تھا: متعدد داخلی جوہری ریاستیں۔ سوڈیم کی زمینی حالت میں ایک ہی توانائی کے ساتھ پانچ ذیلی سطحیں ہیں، اور ان ریاستوں کے درمیان ایٹموں کی تقسیم روشنی کی شدت اور پولرائزیشن پر منحصر ہے۔ تقسیم کا یہ عمل، جسے "آپٹیکل پمپنگ" کہا جاتا ہے، پیرس میں ENS میں Cohen-Tannoudji کے تحت ہونے والی سپیکٹروسکوپک تحقیق کا مرکز تھا، اس لیے ان کا گروپ یہ دریافت کرنے کے لیے منفرد طور پر موزوں تھا کہ یہ اضافی ریاستیں کس طرح لیزر کولنگ کو بہتر بنا سکتی ہیں۔

کلیدی خصوصیت لیزر لائٹ کی پولرائزیشن بنتی ہے، جو کہ کلاسیکی طبیعیات میں روشنی کے دوغلے برقی میدان کے محور سے مطابقت رکھتی ہے۔ چھ کاؤنٹر پروپیگیٹنگ بیم کا مجموعہ پولرائزیشن کی ایک پیچیدہ تقسیم پیدا کرتا ہے کیونکہ شہتیر آپٹیکل گڑ کے اندر مختلف جگہوں پر مختلف طریقوں سے یکجا ہوتے ہیں۔ ایٹموں کو مسلسل آپٹیکل طور پر مختلف کنفیگریشنز میں پمپ کیا جا رہا ہے، جس سے کولنگ کے عمل کو بڑھایا جا رہا ہے اور درجہ حرارت کو کم کرنے کی اجازت دی جا رہی ہے۔

1988 کے موسم گرما میں ڈالی بارڈ اور کوہن-تنودجی نے ذیلی ڈوپلر کولنگ کی وضاحت کے لیے ایک خوبصورت ماڈل وضع کیا تھا۔ (چو آزادانہ طور پر اسی طرح کے نتیجے پر پہنچے، جسے وہ یورپ میں دو کانفرنسوں کے درمیان ایک ٹرین پر حاصل کرتے ہوئے یاد کرتے ہیں۔) انہوں نے ایک آسان ایٹم پر غور کیا جس میں صرف دو زمینی ریاست کے ذیلی سطح ہیں، جن پر روایتی طور پر لیبل لگا ہوا ہے -½ اور +½، دو لیزر بیموں سے روشن مخالف لکیری پولرائزیشن کے ساتھ مخالف سمتیں۔ یہ ایک ایسا نمونہ بناتا ہے جو دو پولرائزیشن حالتوں کے درمیان بدلتا ہے، جس پر σ کا لیبل لگا ہوا ہے۔^- اور σ⁺.

σ کے علاقے میں ایک ایٹم^- پولرائزیشن کو آپٹیکل طور پر –½ حالت میں پمپ کیا جائے گا، جو ایک بڑی روشنی کی تبدیلی کا تجربہ کرتی ہے جو اس کی اندرونی توانائی کو کم کرتی ہے۔ جیسا کہ ایٹم σ کی طرف بڑھتا ہے۔⁺ پولرائزیشن کے علاقے میں، روشنی کی شفٹ کم ہوتی ہے، اور ایٹم کو معاوضہ دینے کے لیے سست ہونا چاہیے، اندرونی توانائی میں اضافے کی تلافی کے لیے حرکی توانائی کھونا، جیسے ایک گیند پہاڑی پر چڑھتی ہے۔ جب یہ σ تک پہنچ جاتا ہے۔⁺ روشنی، آپٹیکل پمپنگ اسے +½ حالت میں بدلنے کا سبب بنے گی، جس میں روشنی کی بڑی شفٹ ہے۔ ایٹم کو وہ توانائی واپس نہیں ملتی جو اس نے σ سے "پہاڑی" پر چڑھتے ہوئے کھو دی تھی۔^- خطہ، اگرچہ، اس لیے یہ عمل کے شروع ہونے کے ساتھ ساتھ آہستہ چل رہا ہے: روشنی کی شفٹ کم ہوتی جاتی ہے جب یہ اگلے σ کی طرف بڑھتا ہے^- علاقہ، تو یہ توانائی کھو دیتا ہے، پھر آپٹیکلی طور پر پمپ کرتا ہے –½، وغیرہ۔

مسلسل "پہاڑوں" پر چڑھنے سے توانائی کھونے کے اس عمل نے ایک وشد نام دیا: ڈالی بارڈ اور کوہن-تناؤدجی نے اسے سیسیفس کولنگ کا نام دیا، یونانی افسانہ میں بادشاہ کے بعد جس کی مذمت کی گئی تھی کہ وہ ہمیشہ کے لیے ایک پہاڑی پر چٹان کو دھکیلتے ہوئے صرف چٹان کے پھسلنے کے لیے گزارے۔ دور اور نیچے کی طرف واپس (شکل 4)۔ آپٹیکل گڑ میں موجود ایٹم خود کو اسی طرح کی حالت میں پاتے ہیں، ہمیشہ پہاڑیوں پر چڑھتے ہیں اور صرف آپٹیکل پمپنگ کے لیے توانائی کھو دیتے ہیں اور انہیں دوبارہ شروع کرنے پر مجبور کرتے ہیں۔

سیسیفس کے انعامات

سیسیفس کولنگ کے پیچھے نظریہ کم از کم درجہ حرارت کے بارے میں ٹھوس پیشین گوئیاں کرتا ہے اور یہ کہ وہ لیزر ڈیٹوننگ اور مقناطیسی میدان پر کیسے منحصر ہیں۔ ان پیشین گوئیوں کی دنیا بھر کی لیبز میں تیزی سے تصدیق ہو گئی۔ 1989 کے موسم خزاں میں جرنل آف دی آپٹیکل سوسائٹی آف امریکہ بی لیزر کولنگ پر ایک خصوصی شمارہ شائع کیا۔ گیتھرزبرگ میں فلپس کے گروپ کے تجرباتی نتائج، پیرس سے سیسیفس تھیوری، اور چو کے گروپ کا ایک مشترکہ تجرباتی اور نظریاتی مقالہ، جو اس وقت تک بیل لیبز سے کیلیفورنیا کی سٹینفورڈ یونیورسٹی منتقل ہو چکا تھا۔ اگلی دہائی کے بیشتر حصے کے لیے، اس خصوصی شمارے کو لیزر کولنگ کو سمجھنے کے خواہشمند طلبا کے لیے حتمی ذریعہ سمجھا جاتا رہا، اور کوہن-تنودجی اور چو نے آگے بڑھ کر 1997 کا نوبل انعام برائے فزکس فلپس کے ساتھ۔

اپنی حد تک لے جایا جائے، سیسیفس اثر ایٹموں کو اس مقام تک ٹھنڈا کر سکتا ہے جہاں ان کے پاس اتنی توانائی نہیں ہوتی کہ وہ ایک "پہاڑی" پر بھی چڑھ سکیں اور اس کی بجائے ایک پولرائزیشن کے ایک چھوٹے سے علاقے تک محدود ہو جائیں۔ یہ قید اتنی ہی تنگ ہے جتنی کہ پھنسے ہوئے آئنوں کے لیے ہے، جس سے لیزر کولنگ کی دو شاخیں اچھی طرح سے ہم آہنگ ہیں۔ 1990 کی دہائی کے اوائل تک پھنسے ہوئے آئنوں اور غیر جانبدار ایٹموں کو ایک ایسے نظام میں ٹھنڈا کیا جا سکتا تھا جہاں ان کی کوانٹم فطرت واضح ہو جاتی ہے: ایک ٹریپ میں ایک آئن، یا سیسیفس کولنگ میں بنائے گئے "کنویں" میں ایک ایٹم، صرف مخصوص مجرد توانائی میں موجود ہو سکتا ہے۔ ریاستوں ان مجرد ریاستوں کو جلد ہی دونوں نظاموں کے لیے ناپا گیا۔ آج، وہ ایٹموں اور آئنوں کے ساتھ کوانٹم کمپیوٹنگ کا ایک لازمی حصہ ہیں۔

تحقیق کا ایک اور دلچسپ راستہ خود کنوؤں سے متعلق ہے۔ یہ اس وقت بنتے ہیں جب روشنی کی شعاعیں مداخلت کرتی ہیں، اور قدرتی طور پر لیزر طول موج کے آدھے وقفے کے ساتھ بڑی صفوں میں ہوتی ہیں۔ ان نام نہاد آپٹیکل جالیوں کی متواتر نوعیت ٹھوس مادے کی خوردبین ساخت کی نقل کرتی ہے، جس میں ایٹم ایک کرسٹل جالی میں الیکٹران کا کردار ادا کرتے ہیں۔ یہ مماثلت پھنسے ہوئے ایٹموں کو کنڈینسڈ میٹر فزکس مظاہر جیسے سپر کنڈکٹیویٹی کی کھوج کے لیے ایک مفید پلیٹ فارم بناتی ہے۔

ٹھنڈے ایٹموں کے ساتھ واقعی سپر کنڈکٹیویٹی کو دریافت کرنے کے لیے، اگرچہ، جالی کو ایٹموں سے زیادہ کثافت اور اس سے بھی کم درجہ حرارت پر لادا جانا چاہیے جو سیسیفس کولنگ کے ساتھ حاصل کیا جا سکتا ہے۔ جیسا کہ ہم حصہ 3 میں دیکھیں گے، وہاں پہنچنے کے لیے ٹولز اور تکنیکوں کے ایک اور نئے سیٹ کی ضرورت ہوگی، اور یہ نہ صرف معلوم نظاموں کے مشابہت بلکہ مادے کی مکمل طور پر نئی حالتیں بنانے کا امکان کھول دے گا۔

• لیزر کولنگ کی تاریخ کا حصہ 3 چاڈ اورزیل پر جلد ہی شائع کیا جائے گا طبیعیات کی دنیا

• SEO سے چلنے والا مواد اور PR کی تقسیم۔ آج ہی بڑھا دیں۔
• پلیٹو ڈیٹا ڈاٹ نیٹ ورک ورٹیکل جنریٹو اے آئی۔ اپنے آپ کو بااختیار بنائیں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹوآئ اسٹریم۔ ویب 3 انٹیلی جنس۔ علم میں اضافہ۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ای ایس جی۔ آٹوموٹو / ای وی، کاربن، کلین ٹیک، توانائی ، ماحولیات، شمسی، ویسٹ مینجمنٹ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ہیلتھ۔ بائیوٹیک اینڈ کلینیکل ٹرائلز انٹیلی جنس۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• چارٹ پرائم۔ ChartPrime کے ساتھ اپنے ٹریڈنگ گیم کو بلند کریں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• بلاک آفسیٹس۔ ماحولیاتی آفسیٹ ملکیت کو جدید بنانا۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• ماخذ: https://physicsworld.com/a/colder-how-physicists-beat-the-theoretical-limit-for-laser-cooling-and-laid-the-foundations-for-a-quantum-revolution/