लेज़र से उत्तेजित परमाणु नाभिक: दशकों बाद बड़ी सफलता

 (tuwien.at)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2024-04-30 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • भौतिकविदों ने दशकों से खोजे जा रहे thorium-229 transition को पहली बार सीधे लेज़र से उत्तेजित किया है, जिससे nuclear clock जैसी अति-सटीक तकनीकों के लिए प्रायोगिक आधार तैयार हुआ है
  • परमाणु नाभिक के transition के लिए आम तौर पर इलेक्ट्रॉन transition की तुलना में कम-से-कम 1,000 गुना अधिक ऊर्जा चाहिए होती है, लेकिन thorium-229 में दो energy states बहुत करीब हैं, इसलिए इसे एक असाधारण उम्मीदवार माना जाता रहा है
  • TU Wien और PTB की शोध टीम ने thorium atoms की बड़ी मात्रा वाला एक विशेष crystal इस्तेमाल कर लगभग 10^17 परमाणु नाभिकों की एक साथ जांच की, और 21 नवंबर 2023 को transition energy को सटीक रूप से मिलाकर स्पष्ट signal प्राप्त किया
  • transition energy की पुष्टि होने के बाद अब परमाणु नाभिक को उच्च energy state में ले जाकर उसके वापस आने की प्रक्रिया को सटीक रूप से ट्रैक किया जा सकता है, जिससे classical quantum physics और nuclear physics को जोड़ने वाला एक प्रायोगिक रास्ता खुला है
  • यह उपलब्धि मौजूदा सर्वश्रेष्ठ atomic clocks से भी अधिक सटीक nuclear clock, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के विश्लेषण, और प्राकृतिक स्थिरांकों में समय व स्थान के साथ बदलाव की जांच जैसे बुनियादी भौतिकी प्रयोगों तक ले जा सकती है

पहली बार लेज़र से प्रेरित thorium-229 transition

  • भौतिकविदों ने लंबे समय से खोजे जा रहे thorium transition को पहली बार लेज़र की मदद से उत्तेजित अवस्था में पहुँचाया है
  • transition energy का सटीक पता चलने से अब परमाणु नाभिक को उच्च energy state में ले जाकर उसके मूल अवस्था में लौटने की प्रक्रिया को बारीकी से ट्रैक किया जा सकता है
  • यह परिणाम TU Wien की Thorsten Schumm शोध टीम और National Metrology Institute Braunschweig(PTB) की टीम ने मिलकर हासिल किया, और इसे Physical Review Letters में प्रकाशित किया गया
  • मुख्य उपलब्धि है परमाणु नाभिक की पहली targeted laser excitation

परमाणु नाभिक को नियंत्रित करना कठिन क्यों है

  • परमाणु या अणु में लेज़र की wavelength सटीक रूप से मिलाने पर उन्हें एक quantum state से दूसरी में बदला जा सकता है
    • आज इसका उपयोग atomic clocks, chemical analysis, और quantum computers में atomic तथा molecular information storage में होता है
  • परमाणु नाभिक भी अलग-अलग quantum states के बीच बदल सकता है, लेकिन इसके लिए आम तौर पर बहुत अधिक ऊर्जा चाहिए होती है
    • परमाणु नाभिक की state transition के लिए सामान्यतः परमाणु या अणुओं के इलेक्ट्रॉनों की तुलना में कम-से-कम 1,000 गुना अधिक ऊर्जा चाहिए होती है
    • सामान्य laser photons की ऊर्जा भर से परमाणु नाभिक को नियंत्रित करना मुश्किल होता है
  • परमाणु नाभिक, परमाणु या अणुओं की तुलना में बहुत छोटा होता है और electromagnetic field जैसी बाहरी बाधाओं के प्रति कम संवेदनशील होता है
    • इसी वजह से सिद्धांततः यह अभूतपूर्व रूप से सटीक precision measurement के लिए उपयुक्त है

सूई-ढूँढने जैसा था transition energy की खोज

  • 1970 के दशक से यह अनुमान था कि thorium-229 ऐसा विशेष परमाणु नाभिक हो सकता है जिसे लेज़र से नियंत्रित किया जा सके
  • thorium-229 में दो energy states बहुत पास-पास हैं, इसलिए सिद्धांततः लेज़र की ऊर्जा परमाणु नाभिक की state बदलने के लिए पर्याप्त हो सकती है
  • transition को प्रेरित करने के लिए transition energy को अत्यंत सटीकता से जानना जरूरी है
    • transition energy को केवल 1 electron volt के स्तर तक जानना पर्याप्त नहीं है
    • transition का पता लगाने के लिए लगभग 10 लाखवें हिस्से electron volt की सटीकता चाहिए
  • शोध टीम ने इस खोज की तुलना भूसे के ढेर में सुई ढूँढने, या किलोमीटर लंबे द्वीप में दफन छोटे खजाने के डिब्बे को ढूँढने से की

विशेष crystal से signal बढ़ाने का तरीका

  • कुछ शोध टीमों ने thorium nuclei को electromagnetic trap में एक-एक करके स्थिर कर अध्ययन करने की कोशिश की, लेकिन TU Wien की टीम ने बहुत सारे thorium atoms वाला एक विशेष crystal विकसित किया
    • crystal development और measurement में Fabian Schaden और PTB टीम ने भाग लिया
    • यह तकनीकी रूप से जटिल है, लेकिन इससे अलग-अलग परमाणु नाभिकों के बजाय बहुत बड़ी संख्या में नाभिकों की एक साथ जांच की जा सकती है
  • लेज़र ने लगभग 10^17 thorium nuclei को एक साथ लक्ष्य किया
    • यह संख्या हमारी आकाशगंगा के तारों की संख्या से लगभग 10 लाख गुना अधिक है
    • बड़ी संख्या में नाभिक प्रभाव को बढ़ाती है, आवश्यक measurement time घटाती है, और वास्तविक transition मिलने की संभावना बढ़ाती है
  • 21 नवंबर 2023 को शोध टीम ने thorium transition की सही energy को ठीक-ठीक मिलाया और पहली बार परमाणु नाभिक से स्पष्ट signal प्राप्त किया
    • laser beam ने वास्तव में परमाणु नाभिक की state को बदला
    • इसके बाद data review और evaluation के बाद परिणाम प्रकाशित किए गए

nuclear clock और precision measurement की संभावनाएँ

  • अब जब यह पता चल गया है कि thorium state को कैसे उत्तेजित किया जा सकता है, इस तकनीक का उपयोग precision measurement में किया जा सकता है
  • दीर्घकालिक लक्ष्यों में से एक nuclear clock बनाना है
    • जैसे pendulum clock में लोलक के दोलन को समय का मानक माना जाता है, वैसे ही thorium transition को उत्तेजित करने वाली रोशनी के दोलन को नई घड़ी के समय मानक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है
    • यह घड़ी वर्तमान में उपलब्ध सर्वश्रेष्ठ atomic clocks से भी कहीं अधिक सटीक हो सकती है
  • समय मापन से आगे बढ़कर इसका उपयोग पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के अधिक सटीक विश्लेषण में भी हो सकता है
    • इससे खनिज संसाधनों या भूकंप से जुड़े संकेत मिल सकते हैं
  • यह measurement method इस तरह के fundamental physics प्रश्नों पर भी लागू हो सकती है कि क्या प्राकृतिक स्थिरांक वास्तव में स्थिर हैं, या समय के साथ उनमें बहुत छोटे बदलाव मापे जा सकते हैं
  • शोध टीम का कहना है कि मौजूदा measurement method सिर्फ एक शुरुआती बिंदु है, और आगे इससे क्या परिणाम निकलेंगे, इसका अभी अनुमान नहीं लगाया जा सकता

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2024-04-30
Hacker News की राय

  • मैं इस पेपर के लेखकों में से एक हूं; अगर कोई सवाल हो तो जवाब दे सकता हूं। इसे यहां देखकर अच्छा लगा

  • इस मापन की पुष्टि पहले ही दूसरे ग्रुप ने भी कर दी है: https://arxiv.org/abs/2404.12311
    यह अहम है, क्योंकि प्रयोग में इस्तेमाल होने वाले crystal की impurities तरह-तरह की fluorescence पैदा कर सकती हैं, जिन्हें thorium ion signal समझने की गलती हो सकती है। अब दो ग्रुप्स ने अलग-अलग thorium-doped crystals में बिल्कुल वही signal देखा है, इसलिए यह बात ज्यादा भरोसेमंद लगती है कि उन्होंने असली nuclear transition खोज लिया है

    • इस पेपर का arXiv link ढूंढते हुए मुझे ऊपर वाला link मिला
      नया पेपर arXiv पर नहीं, बल्कि सिर्फ research group की website [1] पर डाला गया है—यह थोड़ा अजीब है
      [1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
    • अब priority का दावा कौन करेगा?

  • इसमें कहा गया है, “अगर laser की wavelength को ठीक-ठीक मिलाया जाए … तो शायद thorium-229 नाम के खास atomic nucleus को laser से manipulate किया जा सकता है। 21 नवंबर 2023 को टीम आखिरकार सफल हुई। उन्होंने thorium transition की सटीक energy match कर ली, और thorium atomic nucleus ने पहली बार साफ signal दिया।” तो मुझे उत्सुकता थी कि wavelength आखिर कितनी है
    जवाब है 148.3821 nm। बेशक, मेरे लिए भी यह संख्या खास मायने नहीं रखती। ऐसा लगा जैसे Malaysia Airlines MH-370 दुनिया के किस समुद्र में मिली, इस पर बड़ी headline बनाई जाए, लेकिन “Cocos Islands से दक्षिण-दक्षिण-पूर्व 148.3821km” जैसी संख्या ज्यादातर लोगों के लिए बेअर्थ है, इसलिए location बताई ही न जाए

    • 148nm UV-C में भी कम wavelength वाली तरफ है। यह सूर्य द्वारा बनाए जाने वाले सबसे दूर के ultraviolet, 200nm, से ज्यादा energetic है; और अगर इसे artificial तरीके से बनाया जाए तो atmosphere इसे strongly absorb करेगा, यानी वह लगभग opaque हो जाएगा
      अगर visible light को एक octave मानें और रंगों के “notes” को red से फिर blue की ओर wrap होते मानें, तो यह visible blue से एक octave ऊंचे blue जैसा है
    • ऐसी physics अपनी अहमियत के मुकाबले अक्सर कम आंकी जाती है। सख्ती से कहूं तो मैं इसे materials science कहना चाहूंगा, और असल में इसका सीधा इस्तेमाल चीजें बनाने में होता है
      tolerances और materials में छोटे-छोटे सुधार science-engineering-machining pipeline के अंत में आर्थिक रूप से संभव चीजों को बहुत बदल देते हैं। “हमने higher-precision चीज बनाई” आम तौर पर बड़ी खबर होती है। semiconductor को ही देखें—पूरी industry atoms को कुछ nanometers बेहतर तरीके से move करने की क्षमता से भारी value बनाती है
      article से key number गायब होना समस्या जैसा लगता है, लेकिन सच यह है कि पाठकों से अपेक्षित स्तर पहले से ही कम है। वह संख्या पूरी मानवता के लिए 1 trillion dollars से ज्यादा की value रख सकती है, लेकिन ज्यादातर लोग इसे party में बताने लायक trivia ही समझेंगे
    • अधिक गंभीरता से देखें, तो hydrogen atom से electron निकालने के लिए 92nm wavelength वाला photon चाहिए बताया जाता है। reference के लिए यह link शायद ठीक हो: https://web.archive.org/web/20210413042937/https://www.nagwa...
    • तुलना के लिए, पिछले कुछ वर्षों में optical frequency standards पर काफी research हुई है। optical frequency standard, microwave cesium frequency standard की तुलना में higher frequency पर operate करते हैं, इसलिए वे ज्यादा precise हो सकते हैं
      मौजूदा candidates https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 की wavelengths 750nm से 250nm के बीच हैं। cesium frequency standard 32.6mm wavelength इस्तेमाल करता है, इसलिए वह optical frequency standards से करीब 100,000 गुना बड़ा है
      सिर्फ frequency के हिसाब से देखें तो thorium nuclear transition optical transitions से इतना बेहतर क्यों होगा, यह मुझे साफ नहीं है—जब तक कि higher frequency तक scale करना ही दिलचस्पी का मुख्य बिंदु न हो
    • 148.3821nm light nuclear transition को excite करने के लिए इस्तेमाल होती है, इसलिए इसमें कोई शक नहीं कि यह ultraviolet है। लेकिन X-rays और gamma rays के बीच फर्क यह है कि gamma rays atomic nucleus से आती हैं
      इसलिए एक नजरिए से, nuclear state के ground state में लौटते समय निकलने वाले photon को “gamma ultraviolet” कहा जा सकता है—यह एक मजेदार विचार लगता है
      https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
      असल में कोई भी इसे gamma ray नहीं कहेगा, लेकिन विचार दिलचस्प है

  • बड़े perspective में quantum chromodynamics को देखें, तो proton की internal structure या nucleons के बारे में हम वास्तव में कितनी कम बातें पक्के तौर पर जानते हैं, यह काफी चौंकाने वाला है
    यह huge energy से “probe” करने के तरीके का अभिशाप है। यह 100% पक्का करना मुश्किल है कि हम सच में वहां मौजूद किसी चीज को detect कर रहे हैं या विशाल collision energy के byproducts देख रहे हैं
    physicists होशियार हैं और वे ऐसी चीजें करते हैं जो मैं नहीं कर सकता। फिर भी certainty की सीमाएं हैं, और खासकर proton के अंदर कुछ अज्ञात first principles अभी भी काम कर रहे हैं। photons और lasers की precision को इस nucleon world में लाना बहुत बड़ी बात होगी, ऐसी उम्मीद है

    • मेरी कमजोर समझ से तो उल्टा यह चौंकाने वाला है कि हम कितना कुछ जानते हैं
    • शायद tabletop पर general relativity के experiments भी किए जा सकें। gravity 1/r² के हिसाब से चलती है, इसलिए r छोटा हो तो mass term कम महत्वपूर्ण हो सकता है, और general relativity को कई तरीकों से test किया जा सकता है [1], खासकर Shapiro delay[2] संभव है
      यह फिर quantum gravity effects को probe करने का तरीका बन सकता है
      1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
      2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay

  • यह सच में हुआ देखकर अच्छा लगा। पहले जब इसे trapped ions के साथ आज़माया गया था, तब मैंने और GaTech के साथियों ने पहली बार Th(232) 3+ को trap किया और laser cooling की थी
    https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...

  • “पृथ्वी के gravitational field का कहीं ज़्यादा सटीक विश्लेषण करके mineral resources या भूकंप के संकेत दे सकता है” वाले हिस्से में सैन्य applications भी नहीं हैं क्या?
    nuclear submarines में GPS replacement के तौर पर इस्तेमाल हो सकता है
    https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
    https://news.ycombinator.com/item?id=36222625

    • मेरा एक दोस्त ऐसी ही कंपनी https://www.atomionics.com/ में काम करता है, और वे mining companies के साथ pilots चला रहे हैं
    • इस technology को weaponize किया जा सकता है

  • paper के मुताबिक light करीब 140nm, यानी 8.4eV के आसपास की UV-C है। हालांकि transition कराने के लिए energy बहुत सटीक मिलनी चाहिए। वजह यह है कि nuclear state के पास बची हुई energy छोड़ने की कोई जगह नहीं होती

    • nuclear transition का Q value सच में अविश्वसनीय रूप से बड़ा है। यह यहां free atom की half-life 1700 seconds से ज़्यादा होने जैसी लंबी lifetime में भी दिखता है
      uncertainty relation आम तौर पर delta-p delta-x > hbar/2 के रूप में लिखा जाता है, लेकिन इसे delta-t delta-E > hbar/2 के रूप में भी लिख सकते हैं। इसलिए half-life बहुत लंबी हो तो delta-E बहुत छोटा हो सकता है
      यही तथ्य Mössbauer spectroscopy में, यानी solids में recoil-free gamma emission में इस्तेमाल होता है। peak इतनी sharp होती है कि Pound और Rebka ने 1960 में Harvard laboratory में gravitational redshift detect करने के लिए इसका इस्तेमाल किया, और 1964 में 1% accuracy तक पहुंच गए
      https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
    • मुझे उत्सुकता थी कि energy इतनी सटीक क्यों होनी चाहिए, अब समझ में आया। यह transition इतनी low energy का क्यों है?
      जिन दूसरी atomic excited states के बारे में मुझे पता है, वे बस Mössbauer spectroscopy में इस्तेमाल होने वाली iron की excited state हैं, और वह transition कहीं ज़्यादा high energy का है। साथ ही उसमें nuclear electron state के साथ कुछ coupling भी होती है। यह भी जानना चाहता हूं कि इस thorium transition के electron state से couple न होने की कोई खास वजह है क्या
    • दिलचस्प है, लेकिन फिर भी कुछ हद तक error tolerance तो होगा ही। तब थोड़ी extra energy हो सकती है, तो वह energy कहां जाती है और tolerance कितना है?
    • electron transitions आम तौर पर बची हुई energy कहां छोड़ते हैं?

  • “पृथ्वी के gravitational field का बहुत सटीक विश्लेषण mineral resources के संकेत दे सकता है” — यह कैसे संभव है, जानना चाहता हूं
    मैंने कभी SF-style idea सोचा था कि क्या पर्याप्त sensitive gravitational field measurements से गुजरती submarine detect की जा सकती है। गणित को लेकर पक्का नहीं हूं, लेकिन अगर यह संभव हो तो nuclear strategy का बड़ा हिस्सा निष्प्रभावी हो सकता है। थोड़ा math समझना पड़ेगा

    • gravitational field को map करके mineral deposits ढूंढने का तरीका दरअसल काफी पहले से इस्तेमाल होता आया है
      1888 में design किया गया Eötvös pendulum, यानी Eötvös torsion balance, ऐसी measurements की शुरुआत था। 1920s में geophysicists gravitational field gradients को बहुत सटीकता से measure करके underground deposits map करने के लिए अक्सर इसका इस्तेमाल करते थे
      बाद में बेहतर exploration equipment आने पर इसे replace कर दिया गया। यह device मूल रूप से यह test करने के लिए बनाया गया था कि inertial mass और gravitational mass बहुत high precision तक समान हैं—और ज्यादा सटीक कहें तो linearly correlated हैं
      https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
      https://www.nature.com/articles/118406a0
      submarine detection कहीं ज़्यादा मुश्किल है, और जैसा दूसरे लोग पहले ही कह चुके हैं, practically impossible है
    • quantum navigation systems खोजकर देखें। यह submarines को track करने के लिए नहीं, बल्कि पृथ्वी के gravitational field की सूक्ष्म differences का उपयोग करके position तय करने वाले GPS alternative के तौर पर submarines में इस्तेमाल करने के लिए है
      अगर मुझे सही याद है तो Royal Navy ने पिछले साल आधिकारिक तौर पर इसका पहला test किया था
    • पर्याप्त accurate clock relativistic sensor की तरह काम कर सकती है। यह छोटे gravitational changes से spacetime के “time” वाले हिस्से में आए बदलाव को measure करती है
    • https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/AD1012150.pdf
      Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
    • submarines detection आदि के लिए पृथ्वी के magnetic field deviations का इस्तेमाल पहले से हो रहा है। बड़े ferrous objects magnetic field में छोटा लेकिन detect किया जा सकने वाला deviation पैदा करते हैं
      detection range काफी छोटी है, लेकिन इतनी है कि ऊपर उड़ते aircraft से भी इस्तेमाल हो सके
    1. क्या इसका thorium को nuclear fuel के रूप में इस्तेमाल करने से कोई संबंध है? लगता तो नहीं
    2. wavelength unit का कोई मतलब है? कहा गया है कि इसे एक खास number तक narrow down किया गया है, तो वह fine-grainedness किस चीज़ से मेल खाती है? क्या कोई discrete scale है, या बहुत छोटे ± range के अंदर की values काम करती हैं?
    • nuclear energy से इसका वास्तव में कोई संबंध नहीं है। बस एक exception है कि thorium-229 reactors में produce होता है
      यह achievement thorium-229 का इस्तेमाल करने वाली atomic clock बनाने के लक्ष्य की दिशा में, और उसमें भी सबसे अहम step है
    • अभी नहीं। लेकिन अगर कोई ऐसी conditions सेट कर सके कि nuclear fuel atoms fission करते समय हमेशा एक delayed neutron precursor और एक stable या लगभग stable atom में split हों, और long-term decay heat न रहे, तो nuclear power में क्रांति आ सकती है
      मुझे बताया गया है कि यह सपना असंभव है, फिर भी अगर मेरी एक genie wish खर्च करनी हो, तो मैं इसी को चुनूंगा। अभी तो यह periodic table के आधे हिस्से में टूटता है और तरह-तरह की परेशानियां पैदा करता है

  • अभी विस्तार से लिखने का समय नहीं है, लेकिन यह सचमुच exciting news है
    thorium line को ढूंढना precision और fundamental measurements में सबसे महत्वपूर्ण unsolved problems में से एक था