आईएसएस पर पृथ्वी की परिक्रमा करने वाला मिनी फ्रिज के आकार का “कोल्ड एटम लैब (सीएएल)” विज्ञान के लिए क्यों महत्वपूर्ण है  

पदार्थ की दोहरी प्रकृति होती है; हर चीज कण और तरंग दोनों रूपों में मौजूद होती है। परम शून्य के करीब तापमान पर, परमाणुओं की तरंग प्रकृति दृश्यमान सीमा में विकिरण द्वारा अवलोकन योग्य हो जाती है। नैनोकेल्विन रेंज में ऐसे अतिशीत तापमान पर, परमाणु एक बड़ी इकाई में विलीन हो जाते हैं और बोस ईसेनस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) नामक पाँचवीं अवस्था में परिवर्तित हो जाते हैं जो एक बड़े पैकेट में एक तरंग के रूप में व्यवहार करती है। सभी तरंगों की तरह, इस अवस्था में परमाणु हस्तक्षेप की घटना को प्रदर्शित करते हैं और परमाणु तरंगों के हस्तक्षेप पैटर्न का अध्ययन प्रयोगशालाओं में किया जा सकता है। अंतरिक्ष के सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण वातावरण में तैनात परमाणु इंटरफेरोमीटर एक अत्यंत सटीक सेंसर के रूप में कार्य करते हैं और सबसे कमजोर त्वरणों को मापने का अवसर प्रदान करते हैं। अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS) पर पृथ्वी की परिक्रमा करने वाला मिनी फ्रिज के आकार का कोल्ड एटम लेबोरेटरी (CAL) अंतरिक्ष के सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण वातावरण में अतिशीत क्वांटम गैसों के अध्ययन के लिए एक शोध सुविधा है। इसे कुछ साल पहले एटम इंटरफेरोमीटर के साथ अपग्रेड किया गया था। 13 अगस्त 2024 को प्रकाशित रिपोर्ट के अनुसार, शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक पाथफाइंडर प्रयोग किए हैं। वे CAL सुविधा पर लगे तीन-पल्स माच-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके ISS के कंपन को माप सकते थे। यह पहली बार था जब किसी क्वांटम सेंसर का उपयोग अंतरिक्ष में तत्काल परिवेश में परिवर्तनों का पता लगाने के लिए किया गया था। दूसरे प्रयोग में एक ही बार में हस्तक्षेप पैटर्न को प्रकट करने के लिए रैमसे शियर-वेव इंटरफेरोमेट्री का उपयोग शामिल था। पैटर्न 150 ms से अधिक मुक्त-विस्तार समय के लिए अवलोकनीय थे। यह अंतरिक्ष में मुक्त गिरावट में परमाणुओं की तरंग प्रकृति का सबसे लंबा प्रदर्शन था। अनुसंधान दल ने अंतरिक्ष में परमाणु इंटरफेरोमेट्री का उपयोग करने वाले पहले क्वांटम सेंसर के प्रदर्शन के रूप में ब्रैग लेजर फोटॉन रिकॉइल को भी मापा। ये विकास महत्वपूर्ण हैं। सबसे सटीक सेंसर के रूप में, अंतरिक्ष-आधारित अल्ट्राकोल्ड एटम इंटरफेरोमीटर बेहद कमजोर त्वरण को माप सकते हैं, इसलिए शोधकर्ताओं को उन सवालों (जैसे डार्क मैटर और डार्क एनर्जी, मैटर-एंटीमैटर विषमता, अन्य क्षेत्रों के साथ गुरुत्वाकर्षण का एकीकरण) का पता लगाने के अवसर प्रदान करते हैं, जिन्हें सामान्य सापेक्षता और कण भौतिकी के मानक मॉडल स्पष्ट नहीं कर सकते हैं और ब्रह्मांड की हमारी समझ में अंतर को भर सकते हैं। 

तरंगें हस्तक्षेप की घटना को प्रदर्शित करती हैं, अर्थात, दो या अधिक सुसंगत तरंगें मिलकर एक परिणामी तरंग उत्पन्न करती हैं जिसका आयाम संयोजित तरंगों के चरणों के आधार पर उच्च या निम्न हो सकता है। प्रकाश के मामले में, हम परिणामी तरंगों को अँधेरे और प्रकाश फ्रिंज के रूप में देखते हैं।  

इंटरफेरोमेट्री हस्तक्षेप की घटना का उपयोग करके विशेषताओं को मापने की एक विधि है। इसमें घटना तरंग को दो किरणों में विभाजित करना शामिल है जो अलग-अलग पथों पर यात्रा करती हैं और फिर परिणामी हस्तक्षेप पैटर्न या फ्रिंज (प्रकाश के मामले में) बनाने के लिए संयोजित होती हैं। परिणामी हस्तक्षेप पैटर्न किरणों के यात्रा पथों की स्थितियों में परिवर्तन के प्रति संवेदनशील होता है, उदाहरण के लिए, यात्रा पथ की लंबाई में या तरंग दैर्ध्य के संबंध में किसी भी क्षेत्र में कोई भी परिवर्तन हस्तक्षेप पैटर्न को प्रभावित करता है और माप के लिए इसका उपयोग किया जा सकता है।   

दे ब्रोग्ली तरंग या पदार्थ तरंग  

पदार्थ की दोहरी प्रकृति होती है; यह कण और तरंग दोनों रूपों में मौजूद होता है। प्रत्येक गतिशील कण या वस्तु में एक तरंग विशेषता होती है जो डे ब्रोग्ली समीकरण द्वारा दी गई है  

λ = एच/एमवी = एच/पी = एच/√3एमकेटी   

जहाँ λ तरंगदैर्घ्य है, h प्लैंक स्थिरांक है, m द्रव्यमान है, v कण का वेग है, p संवेग है, K बोल्ट्ज़मान स्थिरांक है, और T केल्विन में तापमान है। 

तापीय दे-ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य, केल्विन में तापमान के वर्गमूल के व्युत्क्रमानुपाती होता है, जिसका अर्थ है कि निम्न तापमान पर λ अधिक होगा।  

अतिशीत परमाणु तरंगों का अध्ययन 

एक सामान्य परमाणु के लिए, कमरे के तापमान पर डी ब्रोगली तरंगदैर्घ्य लगभग एंगस्ट्रॉम (10⁻¹⁰ मीटर) के बराबर होती है, ^यानी 0.1 नैनोमीटर (1 नैनोमीटर = 10⁻⁹ ^मीटर )। एक निश्चित तरंगदैर्घ्य का विकिरण इसी आकार सीमा में विवरण प्रदर्शित कर सकता है। प्रकाश अपनी तरंगदैर्घ्य से छोटे विवरणों को प्रदर्शित नहीं कर सकता, इसलिए कमरे के तापमान पर एक सामान्य परमाणु को दृश्य प्रकाश से चित्रित नहीं किया जा सकता, जिसकी तरंगदैर्घ्य लगभग 400 नैनोमीटर से 700 नैनोमीटर की सीमा में होती है। एक्स-रे ऐसा कर सकते हैं क्योंकि उनकी तरंगदैर्घ्य एंगस्ट्रॉम सीमा में होती है, लेकिन उनकी उच्च ऊर्जा उन परमाणुओं को नष्ट कर देती है जिन्हें उन्हें देखना होता है। इसलिए, इसका समाधान परमाणु के तापमान को कम करने (10⁻⁶ केल्विन से नीचे) में निहित है, ^ताकि परमाणुओं की डी ब्रोगली तरंगदैर्घ्य बढ़ जाए और दृश्य प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के बराबर हो जाए। अतिशीत तापमान पर, परमाणुओं की तरंग प्रकृति मापने योग्य हो जाती है और व्यतिमापी के लिए प्रासंगिक हो जाती है।

जब परमाणुओं का तापमान नैनोकेल्विन (10⁻⁹ केल्विन) रेंज में लगभग 400 नैनोकेल्विन तक कम किया जाता है ^, तो परमाणु बोसॉन पाँचवीं अवस्था में परिवर्तित हो जाते हैं जिसे बोस-आइंस्टीन संघनन (BCE) कहा जाता है। परम शून्य के निकट ऐसे अति निम्न तापमान पर, जब कणों की ऊष्मीय गति लगभग नगण्य हो जाती है, तो परमाणु एक बड़े समूह में विलीन हो जाते हैं जो एक बड़े पैकेट में तरंग की तरह व्यवहार करता है। परमाणुओं की यह अवस्था शोधकर्ताओं को स्थूल पैमाने पर क्वांटम प्रणालियों का अध्ययन करने का अवसर प्रदान करती है। पहला परमाणु BCE 1995 में रुबिडियम परमाणुओं की गैस में बनाया गया था। तब से, इस क्षेत्र में प्रौद्योगिकी में कई सुधार हुए हैं। NaC अणुओं का आणविक BEC हाल ही में 5 नैनोकेल्विन (nK) के अति ठंडे तापमान पर बनाया गया था।

अंतरिक्ष में सूक्ष्मगुरुत्व की स्थिति क्वांटम यांत्रिकी अनुसंधान के लिए बेहतर है  

पृथ्वी-आधारित प्रयोगशालाओं में गुरुत्वाकर्षण के कारण प्रभावी शीतलन के लिए परमाणुओं को अपनी जगह पर रखने के लिए चुंबकीय जाल का उपयोग करना पड़ता है। गुरुत्वाकर्षण स्थलीय प्रयोगशालाओं में BECs के साथ अंतःक्रिया समय को भी सीमित करता है। अंतरिक्ष-आधारित प्रयोगशालाओं के सूक्ष्म-गुरुत्व वातावरण में BECs का निर्माण इन सीमाओं को पार करता है। सूक्ष्म-गुरुत्व वातावरण अंतःक्रिया समय को बढ़ा सकता है और लागू क्षेत्र से होने वाली गड़बड़ी को कम कर सकता है, जिससे क्वांटम यांत्रिक अनुसंधान को बेहतर ढंग से समर्थन मिलता है। BCEs अब नियमित रूप से अंतरिक्ष में सूक्ष्म-गुरुत्व स्थितियों के तहत बनते हैं।  

अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS) पर कोल्ड एटम प्रयोगशाला (CAL) 

कोल्ड एटम लेबोरेटरी (CAL) अंतरिक्ष के सूक्ष्मगुरुत्व वातावरण में अतिशीत क्वांटम गैसों के अध्ययन के लिए अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (ISS) पर स्थित एक बहु-उपयोगकर्ता अनुसंधान सुविधा है। CAL को जेट प्रोपल्शन लेबोरेटरी के संचालन केंद्र से दूर से संचालित किया जाता है।  

अंतरिक्ष में स्थित इस सुविधा केंद्र में, क्वांटम घटनाओं के अध्ययन के लिए 10 सेकंड से अधिक का अवलोकन समय और 100 पिको केल्विन (1 पीके = 10 ^-12 केल्विन) से नीचे का अतिशीत तापमान संभव है।

कोल्ड एटम लैब को 21 मई 2018 को लॉन्च किया गया था और मई 2018 के अंत में आईएसएस पर स्थापित किया गया था। जुलाई 2018 में इस अंतरिक्ष-आधारित सुविधा में बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) बनाया गया था। यह पहली बार था; पृथ्वी की कक्षा में पदार्थ की पाँचवीं अवस्था बनाई गई थी। बाद में, अल्ट्राकोल्ड एटम इंटरफेरोमीटर की तैनाती के बाद सुविधा को अपग्रेड किया गया।  

हाल के वर्षों में CAL ने कई उपलब्धियाँ हासिल की हैं। 2020 में अंतरिक्ष में रुबिडियम बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (BECs) का उत्पादन किया गया। यह भी प्रदर्शित किया गया कि सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण वातावरण ठंडे परमाणु प्रयोग के लिए फ़ायदेमंद है।  

^{पिछले वर्ष, 2023 में, शोधकर्ताओं ने 87} Rb और ⁴¹ K से निर्मित दोहरी प्रजाति वाले BEC का निर्माण किया और कोल्ड एटम लेबोरेटरी सुविधा में अंतरिक्ष में पहली बार दो परमाणु प्रजातियों के साथ एक साथ परमाणु व्यतिकरण का प्रदर्शन किया। ये उपलब्धियाँ अंतरिक्ष में मुक्त पतन (UFF) की सार्वभौमिकता के क्वांटम परीक्षणों के लिए महत्वपूर्ण थीं।

अंतरिक्ष आधारित क्वांटम प्रौद्योगिकियों में हालिया प्रगति 

13 अगस्त 2024 को प्रकाशित रिपोर्ट के अनुसार, शोधकर्ताओं ने सीएएल परमाणु इंटरफेरोमीटर में ⁸⁷ आरबी परमाणुओं का उपयोग किया और तीन पथ-निर्धारण प्रयोग सफलतापूर्वक संपन्न किए। उन्होंने सीएएल सुविधा में स्थित तीन-पल्स मच-ज़ेन्डर इंटरफेरोमीटर का उपयोग करके आईएसएस के कंपन को मापा। यह पहली बार था जब अंतरिक्ष में आसपास के वातावरण में होने वाले परिवर्तनों का पता लगाने के लिए क्वांटम सेंसर का उपयोग किया गया था। दूसरे प्रयोग में, एक ही बार में व्यतिकरण पैटर्न को प्रदर्शित करने के लिए रैमसे शियर-वेव इंटरफेरोमेट्री का उपयोग किया गया। ये पैटर्न 150 मिलीसेकंड से अधिक के मुक्त-विस्तार समय तक देखे जा सकते थे। अंतरिक्ष में मुक्त पतन में परमाणुओं की तरंग प्रकृति का यह अब तक का सबसे लंबा प्रदर्शन था। शोध दल ने अंतरिक्ष में परमाणु इंटरफेरोमेट्री का उपयोग करके पहले क्वांटम सेंसर के प्रदर्शन के रूप में ब्रैग लेजर फोटॉन प्रतिक्षेप को भी मापा।

अंतरिक्ष में तैनात अल्ट्राकोल्ड एटम इंटरफेरोमीटर का महत्व 

परमाणु इंटरफेरोमीटर परमाणुओं की क्वांटम प्रकृति का उपयोग करते हैं और त्वरण या क्षेत्रों में परिवर्तनों के प्रति बेहद संवेदनशील होते हैं, इसलिए उच्च परिशुद्धता वाले उपकरणों के रूप में इनका उपयोग किया जाता है। पृथ्वी-आधारित परमाणु इंटरफेरोमीटर का उपयोग गुरुत्वाकर्षण का अध्ययन करने और उन्नत नेविगेशन तकनीकों में किया जाता है।   

अंतरिक्ष आधारित परमाणु इंटरफेरोमीटर में लगातार सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण वातावरण के लाभ हैं जो क्षेत्रों के बहुत कम प्रभाव के साथ मुक्त गिरावट की स्थिति प्रदान करते हैं। यह बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) को पिकोकेल्विन रेंज में ठंडे तापमान तक पहुंचने और लंबी अवधि तक मौजूद रहने में भी मदद करता है। इसका शुद्ध प्रभाव विस्तारित अवलोकन समय है, इसलिए अध्ययन करने का बेहतर अवसर है। यह अंतरिक्ष में तैनात अल्ट्राकोल्ड परमाणु इंटरफेरोमीटर को उच्च-सटीक माप क्षमताओं के साथ संपन्न करता है और उन्हें सुपर-सेंसर बनाता है।  

अंतरिक्ष में तैनात अल्ट्राकोल्ड एटम इंटरफेरोमीटर गुरुत्वाकर्षण में बहुत सूक्ष्म बदलावों का पता लगा सकते हैं जो घनत्व में बदलाव का संकेत है। इससे ग्रहों के पिंडों की संरचना और किसी भी द्रव्यमान परिवर्तन के अध्ययन में मदद मिल सकती है।  

गुरुत्वाकर्षण के उच्च परिशुद्धता माप से डार्क मैटर और डार्क एनर्जी को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिल सकती है, तथा सामान्य सापेक्षता और मानक मॉडल से परे सूक्ष्म शक्तियों के अन्वेषण में भी मदद मिल सकती है, जो प्रेक्षणीय ब्रह्मांड का वर्णन करते हैं।  

सामान्य सापेक्षता और मानक मॉडल दो सिद्धांत हैं जो अवलोकनीय ब्रह्मांड का वर्णन करते हैं। कण भौतिकी का मानक मॉडल मूल रूप से क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत है। यह ब्रह्मांड के केवल 5% का वर्णन करता है, शेष 95% डार्क फॉर्म (डार्क मैटर और डार्क एनर्जी) में है जिसे हम समझ नहीं पाते हैं। मानक मॉडल डार्क मैटर और डार्क एनर्जी की व्याख्या नहीं कर सकता है। यह मैटर-एंटीमैटर विषमता की भी व्याख्या नहीं कर सकता है। इसी तरह, गुरुत्वाकर्षण को अभी तक अन्य क्षेत्रों के साथ एकीकृत नहीं किया जा सका है। ब्रह्मांड की वास्तविकता को वर्तमान सिद्धांतों और मॉडलों द्वारा पूरी तरह से समझाया नहीं गया है। विशाल त्वरक और वेधशालाएँ प्रकृति के इन रहस्यों पर प्रकाश डालने में असमर्थ हैं। सबसे सटीक सेंसर के रूप में, अंतरिक्ष-आधारित अल्ट्राकोल्ड एटम इंटरफेरोमीटर शोधकर्ताओं को ब्रह्मांड की हमारी समझ में अंतर को भरने के लिए इन सवालों का पता लगाने के अवसर प्रदान करते हैं।  

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सन्दर्भ:  

1. मेइस्ट्रे, पियरे 1997. जब परमाणु तरंग बन जाते हैं। यहाँ उपलब्ध है https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. नासा। कोल्ड एटम लेबोरेटरी - यूनिवर्स मिशन। यहाँ उपलब्ध है https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. एवेलिन, डीसी, एट अल. पृथ्वी की परिक्रमा करने वाली एक शोध प्रयोगशाला में बोस-आइंस्टीन संघनन का अवलोकन। प्रकृति 582, 193–197 (2020)। https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. इलियट, ईआर, एवेलिन, डीसी, बिगेलो, एनपी एट अल. अंतरिक्ष में क्वांटम गैस मिश्रण और दोहरे-प्रजाति परमाणु इंटरफेरोमेट्री। प्रकृति 623, 502–508 (2023)। https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. विलियम्स, जे.आर., एट अल 2024. अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर कोल्ड एटम लैब में एटम इंटरफेरोमेट्री के साथ पाथफाइंडर प्रयोग। नेट कम्यून 15, 6414. प्रकाशित: 13 अगस्त 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . प्रीप्रिंट संस्करण https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. नासा ने अंतरिक्ष में पहली बार 'अल्ट्रा-कूल' क्वांटम सेंसर का प्रदर्शन किया। 13 अगस्त 2024 को प्रकाशित। यहाँ उपलब्ध है https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

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