शास्त्रज्ञांनी प्रकाश गोठवला. कसा काय आणि कशासाठी?

अलीकडेच 'नेचर' मॅगजीन मध्ये प्रकाशित झाले आहे की शास्त्रज्ञांनी "प्रकाश" यशस्वीरित्या "गोठवला" आहे. ते कसे? आपण सविस्तर समजून घेऊ. पण त्या आधी थोडक्यात काही इतर संकल्पना समजून घ्याव्या लागतील.

आपल्याला सॉलिड (घनरुप), लिक्विड (द्रवरूप) आणि गॅस (वायु रूप) या पदार्थांच्या तीन अवस्था माहिती आहेत. प्लाझ्मा ही पदार्थाची चौथी अवस्था आहे, जी वायूपेक्षा अधिक उर्जायुक्त असते. प्लाझ्मा हा आयनीकृत गॅस आहे, ज्यामध्ये इलेक्ट्रॉन्स आणि आयन स्वतंत्रपणे फिरत असतात. अत्यंत उच्च तापमानात किंवा उर्जायुक्त स्थितीत गॅस आयनाइझ झाल्यावर प्लाझ्मा तयार होतो. (उदाहरणार्थ: सूर्य, विजेचा झोत). सुपरसॉलिड ही पण एक विशेष प्रकारची पदार्थाची अवस्था आहे, ज्यात पदार्थ द्रवासारखा वाहतो, परंतु त्याची रचना घन (म्हणजे solid) सारखी असते. सुपर सॉलिडमध्ये अणू एकमेकांशी घट्ट बांधलेले असतात, पण ते घर्षणाशिवाय वाहू शकतात. अत्यंत कमी तापमानात (जवळजवळ absolute zero), विशिष्ट पदार्थ सुपर सॉलिड अवस्थेत जातात.

सॉलिड हे एक पारंपरिक स्थितीचे रूप आहे. यात खालील वैशिष्ट्ये असतात: अणू किंवा रेणू एकमेकांच्या अगदी जवळ आणि निश्चित स्थितीत असतात. ठराविक आकार आणि घनता असते. पदार्थाची रचना अत्यंत नियमित असते. सॉलिड्समध्ये कणांची हालचाल खूप मर्यादित असते, ते फक्त आपल्या स्थानाभोवती छोटे कंपन करतात. उदा. लोखंड, लाकूड, बर्फ इत्यादी.

सुपर फ्लुइड नावाची एक् अवस्था असते म्हणजे अत्यंत कमी तापमानाला असलेली अशी द्रव अवस्था जी सामान्य द्रवांपेक्षा पूर्णपणे वेगळी असते. सुपर फ्लुइडमध्ये घर्षण शून्य असते, त्यामुळे ते कोणत्याही अडथळ्याशिवाय वाहू शकते. सुपर फ्लुइडमध्ये कण एकत्रीतपणे वागतात, ज्यामुळे त्यांना एक अद्वितीय सामूहिक स्वरूप मिळते.

सुपर सॉलिड ही भौतिकशास्त्रातील एक अद्वितीय स्थिती आहे, जी सॉलिड आणि सुपरफ्लुइड या दोन्ही गुणधर्मांचे मिश्रण असते. सुपर सॉलिडमध्ये अणू एका ठराविक जाळीच्या स्वरूपात असले तरी ते सुपरफ्लुइडसारखे (विना घर्षण गती) वाहू शकतात. यामुळे सुपर सॉलिड्समध्ये घन वस्तूसारखी रचना असूनही त्यात द्रवसारखी हालचाल होते. ही स्थिती अतिशय कमी तापमानावर (जसे की जवळजवळ शून्य केल्विन) तयार होते. उदा. हिलियम-4 (Helium-4) या वायूला अत्यंत कमी तापमानाला सुपर सॉलिड स्थितीत आणता येते.

आतापर्यंत, शास्त्रज्ञांना सुपरसॉलिड ही अवस्था फक्त अत्यंत थंड वायूंमध्येच दिसली होती. मात्र नुकत्याच केलेल्या नवीन प्रयोगातून हे सिद्ध होते की प्रकाश देखील अशा प्रकारे वागू शकतो.

या सगळ्या संकल्पना क्वांटम फिजिक्स च्या अंतर्गत येतात. क्वांटम फिजिक्स ही भौतिकशास्त्राचे एक असे क्षेत्र आहे जे अणू, अणूतील कण (जसे की इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन) आणि प्रकाश यांसारख्या अतिशय लहान कणांच्या वर्तनाचा अभ्यास करते. क्वांटम भौतिकशास्त्र सामान्य भौतिकशास्त्रापेक्षा वेगळे आहे कारण पारंपरिक भौतिकशास्त्र हे मोठ्या वस्तूंच्या (जसे की गाड्या, बॉल, ग्रह), यांच्या हालचालीचे नियम सांगते. मात्र, अतिशय सूक्ष्म कणांसाठी हे नियम लागू होत नाहीत. त्यासाठी क्वांटम भौतिकशास्त्र आहे. क्वांटम भौतिकशास्त्राचा उपयोग संगणक क्वांटम कॉम्प्युटर्स, औषधनिर्मिती, लहान इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे आणि अगदी जीपीएस साठीदेखील होतो.

एका प्रयोगात, इटालियन शास्त्रज्ञांनी प्रकाश यशस्वीरित्या "गोठवला" आहे, हे दाखवून दिले आहे की तो सुपरसॉलिड म्हणून वागू शकतो. अलीकडेच 'नेचर' मध्ये प्रकाशित झालेला हा शोध क्वांटम भौतिकशास्त्रातील एक महत्त्वाचा टप्पा आहे आणि क्वांटम संगणन आणि ऑप्टिकल तंत्रज्ञानातील भविष्यातील प्रयोगांमध्ये क्रांती घडवू शकतो. शास्त्रज्ञांनी यासाठी विशेष प्रकारच्या पदार्थाचा वापर केला, ज्याला अत्यंत थंड अणूंचे वायू (Bose-Einstein Condensate - BEC) म्हणतात. त्यासाठी शास्त्रज्ञांनी काही अणूंना अत्यंत कमी तापमानावर थंड केले. यामुळे अणूंची हालचाल जवळजवळ थांबली. थंड केलेल्या अणूंवर विशिष्ट प्रकारचा लेझर प्रकाश टाकला गेला. थंड अणूंनी प्रकाशातील फोटॉन्स (प्रकाशकण) स्वतःमध्ये अडकवले आणि त्यांची हालचाल थांबली, म्हणजेच प्रकाश तात्पुरता 'गोठवला' गेला. गरजेनुसार हे प्रकाशकण पुन्हा मूळ स्वरूपात प्रकाशरूपाने बाहेर सोडले जाऊ शकतात. माहिती साठवण्यासाठी आणि ट्रान्सफर करण्यासाठी हे तंत्र उपयुक्त ठरते. प्रकाश गोठवल्याने उच्च अचूकतेची मोजणी उपकरणांमध्ये सुधारणा करता येते. प्रकाश साठवण्याची ही पद्धत माहिती प्रसारण अधिक वेगवान आणि सुरक्षित बनवू शकते.

क्वांटम कॉमप्यूटिंगच्या प्रगतीसाठी आवश्यक असलेले अधिक स्थिर क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) विकसित करण्यात सुपरसॉलिड प्रकाश महत्त्वाची भूमिका बजावू शकतो. संगणनाच्या पलीकडे, अशा प्रकारे प्रकाश हाताळण्याची क्षमता ऑप्टिकल उपकरणे, फोटोनिक सर्किट्स आणि अगदी मूलभूत क्वांटम मेकॅनिक्स संशोधनात क्रांती घडवू शकते. सामान्य संगणकात माहिती 0 आणि 1 या दोन बिट्समध्ये साठवली जाते. प्रत्येक बिट एकाच वेळी फक्त 0 किंवा 1 असतो. क्वांटम संगणकात मात्र, माहिती ही क्वांटम बिट्स किंवा क्यूबिट्स मध्ये साठवली जाते. क्यूबिट्स हे एकाच वेळी 0, 1 किंवा दोन्ही (म्हणजे सुपरपोझिशन) असू शकतात. यामुळे क्वांटम संगणक अत्यंत जटिल गणना झपाट्याने करू शकतो. यामुळे गणनाशक्ती exponentially वाढते.

क्वांटम फिजिक्स आणि फायबर ऑप्टिक्स यांचे नाते हे अत्यंत महत्त्वाचे आहे, विशेषतः डेटा कम्युनिकेशन, सुरक्षित संवाद प्रणाली आणि क्वांटम संगणन (quantum computing) या क्षेत्रांमध्ये. क्वांटम फिजिक्सनुसार प्रकाश एकाच वेळी तरंग (wave) आणि कण (particle) या दोन्ही रूपांत वागतो. फायबरमधून प्रवास करणारा प्रकाश तरंग स्वरूपात वागतो, पण डेटा ट्रान्सफर करताना फोटॉन्सचे (म्हणजे particles) गुणधर्म वापरले जातात.

क्वांटम एन्टॅंगलमेंट ही एक् अशी अद्भुत संकल्पना आहे की, त्यात दोन फोटॉन्स एकमेकांशी एन्टॅंगल झाल्यास (म्हणजे, गुंफले गेले असल्यास), त्यांच्यापैकी एका फोटॉनमध्ये बदल झाल्यास दुसऱ्या फोटॉनमध्येही लगेचच बदल होतो, मग ते एकमेकांपासून अगदी ते कितीही दूर असले तरी. फायबर ऑप्टिक्समध्ये ही संकल्पना Quantum Key Distribution (QKD) साठी वापरली जाते, ज्यामुळे अत्यंत सुरक्षित डेटा ट्रान्समिशन शक्य होते. जर कोणी डेटा हॅक करण्याचा प्रयत्न केला, तर एन्टॅंगलमेंट त्वरित बिघडते आणि हॅकिंगचा प्रयत्न समजतो. प्रकाशाची गती अत्यंत वेगवान असते, त्यामुळे Quantum Communication प्रणालीमध्ये प्रकाशाच्या 'गोठलेल्या' अवस्थेचा वापर करून माहिती अधिक सुरक्षित पद्धतीने पाठवणे शक्य होईल. हे हॅकिंग-प्रूफ नेटवर्क किंवा Quantum Internet निर्माण करण्यासाठी उपयुक्त ठरेल. माहिती प्रसारणात क्रांतिकारी बदल घडवण्यासाठी हे तंत्रज्ञान प्रभावी ठरेल. प्रकाश गोठवणे हे ऑप्टिकल डेटा स्टोरेज किंवा लाइट मेमरी तयार करण्यासाठी वापरले जाऊ शकते. यामुळे डेटा साठवणुकीची गती आणि सुरक्षितता दोन्ही वाढेल. भविष्यात डेटा साठवण्यासाठी हे तंत्रज्ञान हार्ड ड्राइव्हपेक्षा वेगवान आणि कार्यक्षम ठरू शकते. प्रकाश 'गोठवणे' किंवा त्याचे घनरूपात रूपांतर करणे हे विज्ञानातील मोठे यश आहे. हे तंत्रज्ञान भविष्यात Quantum Computing, Secure Communication, Advanced Sensors, आणि Medical Imaging यांसारख्या क्षेत्रांत क्रांती घडवू शकते.