चीन का दावा: अंतरिक्ष स्टेशन पर परमाणुओं को 9.7 पिकोकेल्विन तक ठंडा करने का रिकॉर्ड

परम शून्य से बस थोड़ा ऊपर परमाणुओं का बादल

चीनी वैज्ञानिकों ने चीन के अंतरिक्ष स्टेशन के मेंगटियन प्रयोगशाला मॉड्यूल में रुबिडियम परमाणुओं के एक बादल को 9.7 पिकोकेल्विन के समतुल्य तापमान तक ठंडा किया और सात सेकंड तक उसके विस्तार का अवलोकन किया। शोध दल के अनुसार, यह नतीजा बेहद कम तापमान और लंबे अवलोकन समय को एक साथ लाता है। ये दोनों स्थितियां वैज्ञानिकों को गुरुत्वाकर्षण का मापन करने और क्वांटम व्यवहार की अधिक सटीक जांच करने में मदद कर सकती हैं।

चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज के टेक्नोलॉजी एंड इंजीनियरिंग सेंटर फॉर स्पेस यूटिलाइजेशन ने 6 नवंबर, 2026 को इस उपलब्धि की घोषणा की। क्वांटम गैसेज़ बिलो 10 पिकोकेल्विन इन स्पेस शीर्षक वाला अध्ययन साइंस पत्रिका में ऑनलाइन प्रकाशित हुआ। केंद्र ने पेकिंग विश्वविद्यालय और शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ ऑप्टिक्स एंड फाइन मैकेनिक्स के साथ मिलकर इस परियोजना का नेतृत्व किया।

टीम इस नतीजे को कृत्रिम पदार्थ को सबसे कम तापमान तक ठंडा करने का रिकॉर्ड बताती है। 9.7 पिकोकेल्विन का यह आंकड़ा 2021 में ब्रेमेन विश्वविद्यालय की टीम द्वारा हासिल किए गए 38 पिकोकेल्विन का लगभग एक-चौथाई है। यह 2022 में अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर नासा की कोल्ड एटम लेबोरेटरी द्वारा हासिल किए गए 52 पिकोकेल्विन के पांचवें हिस्से से भी कम है।

एक पिकोकेल्विन, केल्विन का दस खरबवां हिस्सा होता है। इसलिए नया आंकड़ा परम शून्य से 0.0000000000097 केल्विन ऊपर के तापमान के बराबर है। परम शून्य का तापमान माइनस 273.15 डिग्री सेल्सियस होता है। वैज्ञानिक छोड़े गए परमाणुओं के बेहद धीमे विस्तार से इस समतुल्य तापमान की गणना करते हैं। यह तापमान उपकरण के भीतर परमाणुओं के उस छोटे-से बादल की गति को दर्शाता है।

पृथ्वी से करीब 400 किलोमीटर ऊपर स्थित यह प्रयोग, परमाणुओं को थामने वाले बलों को कमजोर करने के लिए अंतरिक्ष स्टेशन के सूक्ष्म-गुरुत्वाकर्षण वातावरण का इस्तेमाल करता है। इससे वैज्ञानिक उन्हें जमीन पर मौजूद छोटे प्रयोगशाला उपकरण की तुलना में अधिक समय तक देख सकते हैं।

परमाणुओं को ठंडा करने से वैज्ञानिकों का क्या आशय है

रुबिडियम परमाणु आम तौर पर अलग-अलग दिशाओं में और अलग-अलग गति से चलते हैं। ठंडा करने से परमाणुओं के समूह में बेतरतीब गति कम हो जाती है। बेहद कम तापमान और उपयुक्त घनत्व पर वे बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट बना सकते हैं। इस अवस्था में कई परमाणु एक साझा क्वांटम अवस्था में होते हैं और सामूहिक रूप से व्यवहार करते हैं।

कंडेनसेट शोधकर्ताओं को उन प्रभावों की जांच के लिए एक बड़ी और नियंत्रित की जा सकने वाली प्रणाली देता है जिन्हें आम तौर पर अलग-अलग कणों से जोड़ा जाता है। तेज गति के बीच किसी एक परमाणु पर नजर रखने के बजाय वैज्ञानिक एक व्यवस्थित बादल तैयार कर सकते हैं, उसके आसपास की स्थितियां बदल सकते हैं और उसकी प्रतिक्रिया माप सकते हैं।

प्रयोग में समतुल्य तापमान इस बात से निकाला जाता है कि छोड़े जाने के बाद बादल कितनी धीरे फैलता है। जिन परमाणुओं की आपसी गति बहुत कम होती है, उनका बादल बेहद धीरे फैलता है। इस विस्तार को देखकर शोधकर्ता गति से जुड़ी ऊर्जा का अनुमान लगा सकते हैं।

ऊष्मागतिकी के नियमों के अनुसार परम शून्य तक पहुंचना संभव नहीं है। व्यावहारिक लक्ष्य परमाणुओं की गति इतनी कम करना है कि कमजोर प्रभाव दिखाई दे सकें और उपयोगी प्रयोगात्मक स्थितियां अधिक समय तक बनी रहें। इस प्रयोग में अवलोकन के सात सेकंड उपलब्ध होना उपलब्धि का एक अहम हिस्सा है।

अंतरिक्ष में सात सेकंड क्यों मायने रखते हैं

पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण शीतलन प्रयोगों के लिए आपस में जुड़ी दो समस्याएं पैदा करता है। जब शोधकर्ता परमाणुओं को थामने वाला जाल कमजोर करते हैं, तो गुरुत्वाकर्षण उन्हें नीचे खींचता है। साथ ही, इससे यह समय सीमित हो जाता है कि छोड़ा गया बादल अवलोकन कक्ष में कितनी देर रह सकता है। कमजोर जाल शीतलन में मदद करता है, लेकिन गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध परमाणुओं को थामने की उसकी क्षमता भी घट जाती है।

अंतरिक्ष स्टेशन और उसमें मौजूद प्रयोगशाला की चीजें एक साथ पृथ्वी के चारों ओर गिरती हैं। इससे सूक्ष्म-गुरुत्वाकर्षण की स्थिति बनती है, जिसमें परमाणु बहुत कम बंधन के साथ उपकरण के पास रह सकते हैं। इसके बाद वैज्ञानिक उन्हें और ठंडा कर सकते हैं और उनके विस्तार को अधिक समय तक देख सकते हैं।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के भौतिकी के प्रोफेसर और 2001 के भौतिकी के नोबेल पुरस्कार विजेता वोल्फगैंग केटर्ले ने पृथ्वी पर सात सेकंड तक चलने वाले प्रयोग की कठिनाई समझाते हुए कहा:

पृथ्वी पर यह करीब 250 मीटर नीचे गिर जाता। इसलिए यह सीधे जमीन पर आ गिरता, जब तक कि आपके पास 250 मीटर ऊंचा वैक्यूम चैंबर न हो।

कक्षीय प्रयोगशाला एक छोटे उपकरण में अवलोकन का यह विस्तारित अवसर देती है। पृथ्वी पर मौजूद शोधकर्ता इसके उपकरणों को दूर से चलाते हैं और स्वचालित नियंत्रणों के जरिए समयबद्ध शीतलन प्रक्रिया पूरी करते हैं।

लेजर प्रकाश कैसे परमाणुओं का जाल बनता है

इस उपकरण में परमाणुओं के स्रोत के रूप में करीब 5 ग्राम धात्विक रुबिडियम रखा गया है। प्रक्रिया धातु को गर्म करके वाष्प छोड़ने से शुरू होती है। इसके बाद लेजर और चुंबकीय क्षेत्र उस वाष्प के परमाणुओं को पकड़ते और शुरुआती तौर पर ठंडा करते हैं। फिर टीम उन्हें लेजर प्रकाश से बने जाल में पहुंचाती है।

शोधकर्ता एक-दूसरे को काटने वाले ऑप्टिकल जालों के दो चरण इस्तेमाल करते हैं। ऑप्टिकल जाल में, सावधानी से व्यवस्थित लेजर किरणें बल पैदा करती हैं जो परमाणुओं को एक छोटे क्षेत्र में थामे रखते हैं। प्रकाश की तीव्रता घटाने से जाल उथला हो जाता है और अधिक ऊर्जा वाले परमाणु बाहर निकल जाते हैं। बचे हुए परमाणुओं की औसत ऊर्जा कम होती है। इस प्रक्रिया को वाष्पीकरणीय शीतलन कहते हैं।

अंतिम चरण में गैर-एडियाबैटिक विस्तार किया जाता है। इसमें बंधन को नियंत्रित ढंग से बदला जाता है, जिससे बादल फैलता है और उसके प्रभावी तापमान से जुड़ी गति और कम हो जाती है। इन चरणों से रुबिडियम का बादल 10 पिकोकेल्विन से नीचे पहुंचा।

सूक्ष्म-गुरुत्वाकर्षण ने एक तकनीकी कठिनाई भी पैदा की: ऑप्टिकल जाल में वाष्पीकरण कम कारगर हो गया। टीम ने इस प्रक्रिया में मदद के लिए एक अतिरिक्त चुंबकीय ग्रेडिएंट का तरीका विकसित किया। चुंबकीय ग्रेडिएंट ऐसा चुंबकीय क्षेत्र होता है जिसकी ताकत अंतरिक्ष में जगह के साथ बदलती है। इससे उच्च शुद्धता वाला कंडेनसेट तैयार हुआ।

उन्नत शीतलन के चरणों में ऑप्टिकल जाल मुख्य उपकरण बना रहता है, जबकि तैयारी के कुछ हिस्सों में चुंबकीय क्षेत्र मदद करते हैं। इन भूमिकाओं में तालमेल बनाए रखने के लिए लेजर की तीव्रता, समय और आसपास के व्यवधानों पर सटीक नियंत्रण जरूरी है।

अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन से अलग रास्ता

नासा की कोल्ड एटम लेबोरेटरी ने एटम चिप से बने चुंबकीय जाल, रेडियोफ्रीक्वेंसी वाष्पीकरण और अंत में एक छोटे पल्स वाली शीतलन तकनीक का इस्तेमाल किया है। इसके बजाय चीनी टीम ने ऑप्टिकल बंधन, प्रकाश की तीव्रता से नियंत्रित वाष्पीकरण और विस्तार के जरिए गहरे शीतलन का रास्ता चुना।

शोधकर्ताओं का कहना है कि ऑप्टिकल जाल भविष्य के प्रयोगों के लिए उपयोगी लचीलापन देता है और बंधन के दौरान चुंबकीय व्यवधानों के प्रति संवेदनशीलता घटाता है। कई लेजर किरणों से ऐसी संरचनाएं भी बनाई जा सकती हैं जो क्वांटम सिमुलेशन में उपयोगी हों। इसमें एक नियंत्रित परमाणु प्रणाली किसी दूसरी भौतिक प्रणाली की चुनी हुई विशेषताओं की नकल करती है।

पहले के रिकॉर्ड तुलना के लिए दो उदाहरण देते हैं। ब्रेमेन में 2021 का 38 पिकोकेल्विन का नतीजा सूक्ष्म-गुरुत्वाकर्षण की थोड़ी देर की स्थिति बनाने के लिए ड्रॉप टावर का इस्तेमाल करके हासिल किया गया था। अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन के प्रयोग ने 2022 में 52 पिकोकेल्विन हासिल किए। चीन का बताया गया 9.7 पिकोकेल्विन का नतीजा ब्रेमेन के आंकड़े से करीब 3.9 गुना कम और पहले के कक्षीय नतीजे से करीब 5.4 गुना कम है।

नया प्रयोग अपने तापमान के नतीजे के साथ बादल के विस्तार का सात सेकंड तक अवलोकन भी जोड़ता है। सटीक प्रयोगों की तैयारी कर रहे शोधकर्ताओं के लिए, लंबे समय तक धीमा और दिखाई देता रहने वाला बादल केवल तापमान का रिकॉर्ड बनाने से अधिक उपयोगी हो सकता है।

प्रयोगशाला कक्ष से कक्षीय कैबिनेट तक

जमीन पर मौजूद उपकरण करीब 20 घन मीटर जगह घेरता था और उसका वजन लगभग 10 टन था। इंजीनियरिंग विवरणों के अनुसार, कक्षीय कैबिनेट करीब 0.7 घन मीटर जगह घेरता है और उसका वजन 500 किलोग्राम है। केंद्र की घोषणा में एक घन मीटर से कम आकार, करीब 300 किलोग्राम वजन और लगभग 700 वॉट बिजली की खपत का भी उल्लेख है; बताए गए वजनों के अंतर की वजह स्पष्ट नहीं की गई है।

विस्तृत इंजीनियरिंग आंकड़ों के अनुसार, कक्षीय प्रणाली जमीन पर मौजूद प्रणाली के आयतन के लगभग 29वें हिस्से के बराबर जगह घेरती है और उसका वजन उसकी तुलना में 20वां हिस्सा है। यह आकार घटाने के लिए लेजर, सटीक ऑप्टिक्स, वैक्यूम उपकरण और इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रणों को सीमित जगह में मिलकर काम करना पड़ा।

विकासकर्ताओं ने लेजर प्रणाली के लिए ऑप्टिकल फाइबर कनेक्शन, सटीक लेजर नियंत्रण, अतिउच्च वैक्यूम, स्वचालित इलेक्ट्रॉनिक्स और कंपन-अलगाव का इस्तेमाल किया। वैक्यूम अवांछित गैस कणों से टकराव कम करता है, जबकि कंपन-अलगाव उन यांत्रिक व्यवधानों को सीमित करता है जो संवेदनशील बादल को बिगाड़ सकते हैं।

कैबिनेट का डिजाइन मॉड्यूलर भी है। शोधकर्ता अलग-अलग अध्ययनों के लिए प्रयोगात्मक मॉड्यूल और समय-क्रम चुन सकते हैं। इससे एक ही मंच केवल शीतलन के प्रदर्शन के बजाय कई तरह के क्वांटम शोध में काम आ सकता है।

प्रक्षेपण से पहले अहम सफलता

परियोजना का शुरुआती आकलन 2011 में शुरू हुआ था, उपकरण के कक्षा में पहुंचने से काफी पहले। 2021 के अंत के करीब एक बड़ी कठिनाई सामने आई, जब टीम बाद के शीतलन चरणों के लिए जरूरी बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट बनाने में बार-बार नाकाम रही।

उपकरण को प्रस्तावित उड़ान में शामिल करने पर फैसला होने से पहले समस्या सुलझाने के लिए विकासकर्ताओं ने 10 अतिरिक्त दिन हासिल किए। उन्होंने पूरी प्रणाली के हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर की जांच और समायोजन किया। 8 जनवरी, 2022 की तड़के कंडेनसेट आखिरकार बन गया, जिससे प्रक्षेपण की दिशा में एक अहम कदम पूरा हुआ।

परियोजना के मुख्य पड़ाव एक दशक से भी अधिक समय में फैले हैं:

• 2011: अंतरिक्ष स्टेशन के अति-शीतल परमाणु प्रयोग का शुरुआती आकलन शुरू हुआ।
• 2021 के अंत में: कंडेनसेट बनाने में कठिनाई से उड़ान में उपकरण को शामिल करने की योजना खतरे में पड़ गई।
• 8 जनवरी, 2022: गहन समस्या-समाधान प्रयास के बाद टीम ने जरूरी कंडेनसेट बनाया।
• 2022: उपकरण मेंगटियन प्रयोगशाला मॉड्यूल से अंतरिक्ष स्टेशन पहुंचा।
• 6 नवंबर, 2026: 9.7 पिकोकेल्विन के नतीजे की घोषणा हुई और अध्ययन साइंस में ऑनलाइन प्रकाशित हुआ।

पेकिंग विश्वविद्यालय के प्रोफेसर झोउ श्याओजी और शंघाई इंस्टीट्यूट ऑफ ऑप्टिक्स एंड फाइन मैकेनिक्स के शोधकर्ता चेन वेइबियाओ अध्ययन के सह-संबंधित लेखकों में शामिल थे। पहले लेखकत्व साझा करने वाले शोधकर्ताओं में शंघाई संस्थान के ली तांग और पेकिंग विश्वविद्यालय के श्योंग वेई तथा जिन शेंगजिए शामिल हैं।

लंबे मापन से कमजोर प्रभावों का पता चल सकता है

एटम इंटरफेरोमीटर उन उपकरणों में शामिल हैं जिन्हें इस नए मंच से फायदा हो सकता है। ये परमाणुओं के तरंग गुणों का इस्तेमाल करते हैं। परमाणु तरंगों को बांटकर और फिर मिलाकर ऐसा पैटर्न बनाया जाता है जो त्वरण या गुरुत्वाकर्षण जैसे प्रभावों को दिखाता है।

जर्मनी की लाइबनिज विश्वविद्यालय हनोवर में भौतिकी के प्रोफेसर अर्न्स्ट एम. रासेल ने बताया कि इन उपकरणों को किन स्थितियों की जरूरत होती है:

एटम इंटरफेरोमीटर को ऐसे स्रोतों से बहुत लाभ होता है जो अति-शीतल समूह में बड़ी संख्या में परमाणु और लंबे अवलोकन समय उपलब्ध कराते हैं।

रासेल ने बताया कि इंटरफेरोमीटर की संवेदनशीलता उपकरण में परमाणुओं के बिताए समय के वर्ग के अनुपात में बढ़ती है। अन्य स्थितियां समान रहने पर, उस समय को दोगुना करने से मापे जा रहे प्रभाव के प्रति प्रतिक्रिया चार गुना बढ़ सकती है। इसलिए बेहद छोटे संकेतों के लिए लंबा अवलोकन खास तौर पर मूल्यवान है।

उन्होंने अगला कदम एक ऐसे कक्षीय इंटरफेरोमीटर को बताया जिसमें परमाणु तरंगें कई सेकंड तक सुसंगत रूप से अलग रहें। सुसंगतता का अर्थ है तरंगों के बीच का संबंध बनाए रखना, ताकि दोबारा मिलाने पर वे उपयोगी मापन दे सकें। बादल के सात सेकंड के अवलोकन से यह क्षमता विकसित करने की शुरुआत होती है।

शोधकर्ता पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण का नक्शा बनाने, नौवहन और उपग्रहों की कक्षाएं निर्धारित करने में इसके संभावित उपयोग देखते हैं। बेहतर गुरुत्वाकर्षण मापन से हिमनदों और समुद्री धाराओं में बदलावों पर नजर रखने में भी मदद मिल सकती है, क्योंकि चलते पानी और बर्फ से पृथ्वी के द्रव्यमान का वितरण बदलता है।

क्वांटम प्रयोगों का मंच

ऑप्टिकल प्रणाली से ऑप्टिकल लैटिस का अध्ययन किया जा सकता है। ये लेजर प्रकाश के ऐसे पैटर्न होते हैं जो परमाणुओं को क्रिस्टल जैसी व्यवस्था में थामते हैं। व्यवस्था और परस्पर क्रियाएं बदलकर शोधकर्ता नियंत्रित स्थितियों में कणों के समूहों के व्यवहार की जांच कर सकते हैं।

चेन वेइबियाओ ने क्वांटम फेज ट्रांजिशन, आपस में क्रिया करते कई क्वांटम कणों के व्यवहार और बुनियादी भौतिक सिद्धांतों की जांच को संभावित शोध क्षेत्रों के रूप में गिनाया। परियोजना के प्रस्तावित विषयों में शुरुआती ब्रह्मांड से जुड़े सिमुलेशन, अति-हल्के डार्क मैटर की खोज और हिग्स मॉडल से जुड़े अध्ययन भी शामिल हैं।

ये भविष्य के प्रयोग हैं, जिनके लिए अलग डिजाइन और मापन की जरूरत होगी। फिलहाल की उपलब्धि बेहद धीमे परमाणुओं का स्रोत और उनके अध्ययन के लिए लंबा समय उपलब्ध कराना है। शोधकर्ता अंतरिक्ष में क्वांटम सेंसर और परमाणु घड़ियों के संभावित उपयोग भी देखते हैं।

चीन के मानवयुक्त अंतरिक्ष कार्यक्रम की स्पेस एप्लिकेशन प्रणाली के मुख्य डिजाइनर और स्पेस यूटिलाइजेशन सेंटर के उपनिदेशक ल्यू कोंगमिन ने दुनिया भर के शोधकर्ताओं को इस सुविधा से प्रयोग करने और प्रयोग के अवसर साझा करने के लिए आमंत्रित किया। प्रस्तावित अनुवर्ती प्रयोगों के लिए आवेदन की समय-सारणी या तारीख की घोषणा नहीं की गई।

केटर्ले ने इस उपलब्धि को "परमाणु तापमिति और सटीक मापन को आगे बढ़ाने के लिए एक उत्कृष्ट शुरुआती बिंदु" बताया। परमाणु प्रणालियों में तापमान के मापन यानी परमाणु तापमिति का इन प्रयोगों को समझने और बेहतर बनाने में अहम योगदान रहेगा।

मुख्य बिंदु

• चीन की अंतरिक्ष स्टेशन टीम का कहना है कि उसने रुबिडियम परमाणुओं के बादल को 9.7 पिकोकेल्विन के समतुल्य तापमान तक ठंडा किया और सात सेकंड तक उसका विस्तार देखा।
• यह प्रयोग मेंगटियन प्रयोगशाला मॉड्यूल में हुआ। इसमें उस सुविधा का इस्तेमाल किया गया जिसे 2022 में प्रक्षेपित किया गया था।
• बताया गया तापमान 2021 में ब्रेमेन में हासिल किए गए 38 पिकोकेल्विन और 2022 में अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर हासिल किए गए 52 पिकोकेल्विन से कम है।
• शीतलन प्रक्रिया में ऑप्टिकल जाल, चुंबकीय ग्रेडिएंट की मदद से वाष्पीकरणीय शीतलन और गैर-एडियाबैटिक विस्तार शामिल हैं।
• भविष्य के शोध में क्वांटम सिमुलेशन, एटम इंटरफेरोमीटर, गुरुत्वाकर्षण मापन और बुनियादी भौतिकी के परीक्षण शामिल हो सकते हैं।