कमरे के तापमान पर बने सुपरसॉलिड में दिखीं प्रकाश के क्वांटम द्रव की धारियां

एक क्वांटम द्रव जो खुद अपनी धारियां बनाता है

वारसॉ विश्वविद्यालय की एक टीम ने बताया है कि लिक्विड क्रिस्टल और एक कार्बनिक अर्धचालक वाली ऑप्टिकल माइक्रोकैविटी का इस्तेमाल करके प्रकाश के क्वांटम द्रव में सुपरसॉलिड अवस्था बनाई गई। शोधकर्ताओं के मुताबिक, इस कंडेन्सेट में नियमित अंतराल पर घनत्व की धारियां बनती हैं, जबकि उसमें सुपरफ्लुइड से जुड़े गुण भी बने रहते हैं। इससे क्वांटम गुणों का एक असामान्य मेल ऐसी प्रणाली में देखने को मिलता है, जिसके बारे में कहा गया है कि वह कमरे के तापमान पर काम करती है।

प्रयोग की संरचना में नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल और पॉलिमर मिथाइल-सब्स्टिट्यूटेड लैडर-टाइप पॉली(p-फिनाइलीन) की दो परतें शामिल हैं, जिसे MeLPPP के नाम से जाना जाता है। पॉलिमर में प्रकाश और इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजनाएं इतनी मजबूती से युग्मित होती हैं कि एक्साइटॉन पोलैरिटॉन बनते हैं। ये संकर कण एक साझा क्वांटम अवस्था में इकट्ठा हो सकते हैं।

IBM Research की प्रकाशन सूची के अनुसार, यह अध्ययन Science Advances में प्रकाशित हुआ और इसकी तारीख 16 अक्टूबर, 2026 है। विवरण में बताया गया है कि हर बार कंडेन्सेट बनने पर धारियां अलग-अलग स्थानों पर उभरती हैं, यहां तक कि अनियमित विक्षोभ विभव की मौजूदगी में भी। शोधकर्ताओं ने अचानक और अनियमित रूप से भंवर बनने की भी जानकारी दी है, जो सुपरफ्लुइड से जुड़ा एक और गुण है।

तापमान का उल्लेख सावधानी से करना जरूरी है। शोध विवरण इस उपलब्धि को कमरे के तापमान पर सुपरसॉलिड अवस्था कहता है, जबकि साथ में दिए गए विवरण में प्रकाश और पदार्थ के बीच मजबूत युग्मन को लगभग 60 डिग्री सेल्सियस पर बताया गया है। अकादमिक सारांश में यह स्पष्ट नहीं है कि सुपरसॉलिड के अवलोकन ठीक किस तापमान पर किए गए। दोनों विवरण इस काम को उन तापमानों से काफी ऊपर रखते हैं, जो परम शून्य के करीब होते हैं और अति-शीतल परमाणु सुपरसॉलिड बनाने में इस्तेमाल किए जाते हैं।

सुपरसॉलिड असामान्य क्यों है?

सामान्य क्रिस्टल में पदार्थ की व्यवस्था दोहराव वाले ढंग से होती है। सुपरफ्लुइड एक क्वांटम द्रव है, जो श्यानता से जुड़ा सामान्य प्रतिरोध झेले बिना बह सकता है। सुपरसॉलिड में क्रिस्टल जैसी स्थानिक व्यवस्था और सुपरफ्लुइड जैसा सामूहिक क्वांटम व्यवहार, दोनों मौजूद होते हैं।

आम बोलचाल में ‘ठोस’ शब्द भ्रामक हो सकता है। यहां दोहराव वाली संरचना क्वांटम द्रव के घनत्व में बना एक पैटर्न है। प्रयोग में ऑप्टिकल उपकरण के भीतर प्रकाश और पदार्थ की संकर उत्तेजनाओं का कंडेन्सेट शामिल है, न कि कोई परिचित कठोर वस्तु।

बोस-आइंस्टीन कंडेन्सेट तब बनता है, जब बहुत से बोसॉन कण या उत्तेजनाएं एक साझा क्वांटम अवस्था में आकर सामूहिक रूप से व्यवहार करने लगती हैं। इसे कदम से कदम मिलाकर चलती भीड़ की तरह समझ सकते हैं: हर व्यक्ति के अलग-अलग व्यवहार के बजाय सामूहिक चाल अहम हो जाती है। पोलैरिटॉन कंडेन्सेट में उपकरण से निकलने वाला प्रकाश शोधकर्ताओं को इस सामूहिक अवस्था का अध्ययन करने का तरीका देता है।

अति-शीतल परमाणुओं के प्रयोगों में 2017 में सुपरसॉलिड व्यवहार स्थापित किया गया था। इन प्रणालियों में सामूहिक स्तर पर क्वांटम व्यवहार दिखाने के लिए बेहद कम तापमान का इस्तेमाल होता है। वारसॉ की यह विधि एक्साइटॉन पोलैरिटॉन के जरिए अलग तापमान सीमा और अलग प्रयोगात्मक मंच पर इससे जुड़े भौतिकी के पहलुओं का अध्ययन करती है।

लिक्विड क्रिस्टल कंडेन्सेट को कैसे आकार देता है

माइक्रोकैविटी प्रकाश को इस तरह सीमित करती है कि वह MeLPPP की परतों में मौजूद एक्साइटॉन के साथ मजबूत अंतःक्रिया कर सके। एक्साइटॉन एक इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना है, जिसमें एक इलेक्ट्रॉन और उसके पीछे बचा धनावेशित रिक्त स्थान, यानी होल, शामिल होते हैं। मजबूत युग्मन से प्रकाश और एक्साइटॉन की अवस्थाएं मिलकर एक्साइटॉन पोलैरिटॉन बनाती हैं।

पोलैरिटॉन में प्रकाश से मिला बहुत छोटा प्रभावी द्रव्यमान और पदार्थ वाले घटक से मिली अंतःक्रियाएं, दोनों शामिल होते हैं। प्रभावी द्रव्यमान बताता है कि किसी पदार्थ के भीतर गति बदलने पर कोई उत्तेजना कैसी प्रतिक्रिया देती है। यही छोटा प्रभावी द्रव्यमान समझाने में मदद करता है कि परमाणु गैसों में कंडेन्सेशन की तुलना में पोलैरिटॉन कंडेन्सेशन बहुत अधिक तापमान पर क्यों हो सकता है।

नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल के अणु एक पसंदीदा दिशा में व्यवस्थित होने की प्रवृत्ति रखते हैं। इस उपकरण में यह वह स्थिति बनाता है जिसे शोधकर्ता रश्बा-ड्रेसलहॉस स्पिन-ऑर्बिट युग्मन कहते हैं। आसान शब्दों में, कैविटी प्रकाश के ध्रुवण गुणों को पोलैरिटॉन की गति से जोड़ती है।

इससे ऊर्जा और संवेग के बीच ऐसा संबंध बनता है, जिसमें समान ऊर्जा पर दो अलग-अलग न्यूनतम बिंदु होते हैं। कंडेन्सेशन के लिए ये दोनों समान रूप से अनुकूल स्थान हैं। अध्ययन में बताए गए स्थानिक रूप से बदलते कंडेन्सेट का आधार इन्हीं अवस्थाओं का भरना है।

धारियों की जगह क्यों मायने रखती है

निकलने वाले प्रकाश में नियमित चमकीली धारियां दिखती हैं, जो कंडेन्सेट के घनत्व में आवर्ती बदलाव उजागर करती हैं। इनका अंतराल सुपरसॉलिड अवस्था से जुड़ी दोहराव वाली व्यवस्था देता है। अलग-अलग कंडेन्सेट बनने पर इनका स्थान बदलना शोधकर्ताओं को एक और अहम जानकारी देता है।

अकादमिक विवरण के अनुसार, कंडेन्सेट के हर रूप में धारियां बेतरतीब स्थानों पर दिखाई देती हैं। हर बार प्रणाली अपने पैटर्न के लिए एक खास जगह चुनती है। भौतिक विज्ञानी इसे स्थानांतरण सममिति का सहज टूटना कहते हैं: जिस प्रणाली में कई अलग-अलग स्थान संभव हों, वह उनमें से किसी एक खास स्थानिक व्यवस्था में स्थिर हो जाती है।

इसे ऐसे दोहराव वाले पैटर्न से समझ सकते हैं, जिसे अंतराल बदले बिना दाएं या बाएं खिसकाया जा सकता है। कंडेन्सेट बनने पर पैटर्न एक जगह टिक जाता है। जब प्रयोग में दूसरा कंडेन्सेट बनता है, तो धारियां किसी दूसरी जगह पर उभर सकती हैं।

शोधकर्ताओं का कहना है कि यह व्यवहार अनियमित विक्षोभ विभव के बावजूद बना रहता है। इसका मतलब है कि पोलैरिटॉन जिन परिस्थितियों का सामना करते हैं, उनमें अनियमित बदलाव मौजूद हैं। शोधकर्ता इस अवलोकन को इस बात का प्रमाण मानते हैं कि धारियां उस विक्षोभ का प्रतिरोध करती हैं और उनकी जगह सहज रूप से चुनी जाती है।

इस क्वांटम द्रव में भंवर भी एक और उल्लेखनीय गुण जोड़ते हैं। भंवर एक घूमती हुई संरचना है, जिसमें क्वांटम फेज, यानी सामूहिक तरंग का समय-संबंध, एक केंद्रीय बिंदु के चारों ओर घूमता है। अध्ययन में घनत्व की धारीदार संरचना के साथ इनके अनियमित रूप से उभरने की जानकारी दी गई है, जो स्थानिक व्यवस्था को सुपरफ्लुइड में दिखने वाले व्यवहार से जोड़ती है।

एक अन्य प्रस्ताव में बड़े पैटर्न की भविष्यवाणी

जुलाई 2024 के एक सैद्धांतिक प्रीप्रिंट में, जिसका शीर्षक Supersolidity of polariton condensates in photonic crystal waveguides है, पोलैरिटॉन सुपरसॉलिड बनाने का एक दूसरा तरीका तलाशा गया। इसमें एक ऐसी संरचना का प्रस्ताव दिया गया, जो प्रकाश को एक आयाम में निर्देशित करती है और जिसकी सतह पर आवर्ती पैटर्न बना होता है।

इन दोनों शोध प्रयासों में अलग-अलग उपकरणों और प्रक्रियाओं का अध्ययन है। 2024 के प्रस्ताव में फोटोनिक क्रिस्टल वेवगाइड और पोलैरिटॉन मोड के बीच गैर-रैखिक प्रकीर्णन का इस्तेमाल होता है। रिपोर्ट किया गया लिक्विड क्रिस्टल प्रयोग ऐसी माइक्रोकैविटी का इस्तेमाल करता है, जिसमें स्पिन-ऑर्बिट युग्मन कंडेन्सेशन के लिए ऊर्जा के दो न्यूनतम बिंदु बनाता है।

वेवगाइड की गणनाओं के अनुसार, प्रकाश का इनपुट बढ़ने पर शुरुआत में शून्य संवेग पर कंडेन्स हुए पोलैरिटॉन, प्रकीर्णन के जरिए सीमित संवेग वाले मोड में जा सकते हैं। संवेग उन मोड से जुड़ी गति का वर्णन करता है। इन मोड से निकलने वाला संयुक्त उत्सर्जन नियमित स्थानिक पैटर्न बना सकता है। उपयुक्त स्थितियों में उस पैटर्न का स्थान सहज रूप से चुना जाता है।

इस मॉड्यूलेशन का अनुमानित तरंग-सदिश लगभग प्लस या माइनस 0.3 प्रति माइक्रोमीटर है, जो करीब 21 माइक्रोमीटर की स्थानिक अवधि के बराबर है। मूल फोटोनिक क्रिस्टल की अवधि लगभग 0.25 माइक्रोमीटर है। 21 को 0.25 से भाग देने पर करीब 84 मिलता है, यानी अनुमानित घनत्व पैटर्न की पुनरावृत्ति का पैमाना, बनाई गई सतह के पैटर्न से लगभग 84 गुना बड़ा है।

यह तुलना प्रस्ताव की एक अहम बात स्पष्ट करती है: सामूहिक पैटर्न का अपना लंबाई-पैमाना होता है, जो प्रकीर्णन में शामिल पोलैरिटॉन मोड तय करते हैं। शोधकर्ताओं ने यह दिखाने वाली गणनाएं भी पेश की हैं कि इनपुट शक्ति के जरिए संबंधित प्रकीर्णन बिंदु को नियंत्रित किया जा सकता है।

दो थ्रेशहोल्ड और 300 संख्यात्मक परीक्षण

2024 के सिद्धांत में निकलने वाले प्रकाश में होने वाले बदलावों को प्रयोग में तलाशे जाने योग्य व्यावहारिक संकेत बताया गया है। गणनाएं शुरुआती कंडेन्सेशन थ्रेशहोल्ड और अतिरिक्त मोड में गैर-रैखिक प्रकीर्णन से जुड़े दूसरे थ्रेशहोल्ड के बीच फर्क करती हैं। थ्रेशहोल्ड वह इनपुट स्तर है, जहां कोई नया व्यवहार शुरू होता है।

जब युग्मन एक गैर-शून्य रैखिक संबंध के जरिए संबंधित मोड को जोड़ता है, तो अतिरिक्त शाखा से होने वाले उत्सर्जन में दो थ्रेशहोल्ड दिख सकते हैं: एक शुरुआती कंडेन्सेशन के साथ और दूसरा अधिक इनपुट पर। इन मोड के बीच रैखिक युग्मन न होने पर अतिरिक्त शाखा में प्रकीर्णन से जुड़ा एक ही गैर-रैखिक थ्रेशहोल्ड दिखता है।

गणनाएं धारियों का स्थान चुनने की स्वतंत्रता को युग्मन की स्थितियों से भी जोड़ती हैं। जब इन मोड के बीच रैखिक युग्मन नहीं होता, तो अलग-अलग संख्यात्मक सिमुलेशन में मॉड्यूलेशन अलग-अलग जगहों पर बनता है। इस सहज चयन को जांचने के लिए अध्ययन में 300 स्टोकास्टिक सिमुलेशन किए गए, यानी हर बार अलग-अलग यादृच्छिक उतार-चढ़ाव के साथ गणनाएं।

हर सिमुलेशन में आवर्ती मॉड्यूलेशन बना, लेकिन इन पैटर्न का फेज संभावित मानों की पूरी सीमा में फैला हुआ था। अधिक सिमुलेशन का औसत निकालने पर दिखाई देने वाला मॉड्यूलेशन घट गया, क्योंकि अलग-अलग जगहों पर बनी धारियां एक-दूसरे के प्रभाव को निरस्त कर देती थीं। यह नतीजा दिखाता है कि जब सामूहिक अवस्था अपनी स्थानिक व्यवस्था खुद चुनती है, तो हर अलग कंडेन्सेट का अध्ययन करना क्यों महत्वपूर्ण है।

इस शोध क्रम में दो अलग-अलग पड़ाव शामिल हैं:

• जुलाई 2024: एक सैद्धांतिक प्रीप्रिंट में फोटोनिक क्रिस्टल वेवगाइड में सुपरसॉलिड का प्रस्ताव दिया गया, जिसमें उत्सर्जन थ्रेशहोल्ड और पैटर्न बनने की सहज प्रक्रिया के संख्यात्मक परीक्षण शामिल थे।
• 16 अक्टूबर, 2026: IBM Research की सूची में Science Advances के उस अध्ययन की तारीख दी गई है, जिसमें लिक्विड क्रिस्टल माइक्रोकैविटी में कमरे के तापमान पर बनी सुपरसॉलिड अवस्था की जानकारी दी गई है।

क्वांटम फोटोनिक्स के लिए इसका क्या महत्व है

पोलैरिटॉन प्रणालियों में कण लगातार सामूहिक अवस्था में प्रवेश करते और उससे बाहर निकलते रहते हैं। साथ दिए गए विवरण में पोलैरिटॉन का जीवनकाल केवल कुछ पिकोसेकंड बताया गया है। एक पिकोसेकंड, एक सेकंड का दस खरबवां हिस्सा होता है। कणों के क्षय और प्रकाश के बाहर निकलने पर ऑप्टिकल उत्तेजना प्रणाली में नए कण भरती रहती है।

भौतिक विज्ञानी इसे प्रेरित-विसरणशील प्रणाली कहते हैं: बाहरी स्रोत ऊर्जा देता है, जबकि उपकरण ऊर्जा और उत्तेजनाएं खोता रहता है। वेवगाइड सिद्धांत में स्थिर अवस्था ऊर्जा-वृद्धि, हानि और अंतःक्रियाओं के बीच संतुलन से बनती है। यही लगातार बना संतुलन सामूहिक पैटर्न को कायम रखता है।

तुलनात्मक रूप से सुलभ तापमान और प्रकाश के जरिए अवलोकन की सुविधा रिपोर्ट की गई माइक्रोकैविटी को व्यवस्थित क्वांटम द्रव के अध्ययन के लिए उपयोगी बनाते हैं। शोधकर्ता निकलने वाले प्रकाश से घनत्व के पैटर्न देख सकते हैं, जबकि लिक्विड क्रिस्टल पोलैरिटॉन की ऊर्जा संरचना को आकार देने का तरीका देता है।

इस काम से जुड़ी संभावित उपयोगिताओं में तेज फोटोनिक घटक और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग एक्सेलरेटर शामिल हैं। ये तंत्रिका तंत्र से प्रेरित व्यवस्थाओं के जरिए सूचना संसाधित करते हैं। इनकी संभावित उपयोगिता की वजह यह है कि अंतःक्रिया करने वाली प्रकाशीय अवस्थाएं सामूहिक और गैर-रैखिक ढंग से प्रतिक्रिया कर सकती हैं। इनपुट थ्रेशहोल्ड पार करने पर इससे व्यवहार में बड़ा बदलाव आ सकता है।

बताई गई उपलब्धि एक क्वांटम अवस्था को बनाना और उसका अवलोकन करना है। इस भौतिकी को कंप्यूटिंग घटक में बदलने के लिए यह नियंत्रित करना जरूरी होगा कि अवस्था कैसे बने, उसका पैटर्न कहां हो और इनपुट पर वह कैसी प्रतिक्रिया दे। धारियों की अनियमित जगह खास तौर पर महत्वपूर्ण है: उनका सहज चयन भौतिकी का अहम प्रमाण है, लेकिन सूचना संसाधित करने वाले उपकरण को इस चयन का इस्तेमाल या उस पर नियंत्रण करने का भरोसेमंद तरीका चाहिए होगा।

प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक काम मिलकर, अकेले किसी एक काम की तुलना में, अधिक विस्तृत तस्वीर देते हैं। माइक्रोकैविटी अध्ययन सुलभ तापमान पर धारीदार कंडेन्सेट और भंवरों का वर्णन करता है। वेवगाइड प्रस्ताव एक अलग प्रक्रिया की गणनाएं देता है, जिनमें पैटर्न के पैमाने, उत्सर्जन थ्रेशहोल्ड और सांख्यिकीय परीक्षण शामिल हैं। दोनों मिलकर उन ऑप्टिकल संरचनाओं का दायरा बढ़ाते हैं, जिनमें सुपरसॉलिड व्यवहार का अध्ययन किया जा सकता है।

मुख्य बिंदु

• वारसॉ विश्वविद्यालय की एक टीम ने नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल और MeLPPP पॉलिमर की दो परतों वाली माइक्रोकैविटी में सुपरसॉलिड पोलैरिटॉन कंडेन्सेट बनाने की जानकारी दी है।
• रिपोर्ट की गई घनत्व की धारियां कंडेन्सेट के हर रूप में अलग-अलग जगहों पर बनती हैं और अनियमित विक्षोभ विभव के बावजूद बनी रहती हैं।
• अध्ययन में अनियमित रूप से उभरने वाले भंवरों की भी जानकारी दी गई है, जो सुपरफ्लुइड से जुड़ा गुण है।
• अकादमिक सारांश में कमरे के तापमान पर संचालन का वर्णन है, जबकि साथ दिए गए विवरण में मजबूत युग्मन को लगभग 60 डिग्री सेल्सियस पर बताया गया है।
• जुलाई 2024 के एक अलग सैद्धांतिक प्रस्ताव में करीब 21 माइक्रोमीटर अवधि वाले वेवगाइड पैटर्न की भविष्यवाणी की गई और 300 संख्यात्मक सिमुलेशन का विश्लेषण किया गया।
• फोटोनिक कंप्यूटिंग एक संभावित उपयोग है, जबकि मुख्य नतीजा एक असामान्य क्वांटम अवस्था के बनने और उसके व्यवहार से जुड़ा है।