क्या धातु का एक छोटा सा टुकड़ा एक ही समय में कई स्थानों पर फैली क्वांटम अवस्था में मौजूद हो सकता है? वियना विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं का कहना है कि हां।

नेचर पत्रिका में प्रकाशित शोध में वियना विश्वविद्यालय और ड्यूसबर्ग-एसेन विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने बताया है कि हजारों सोडियम परमाणुओं से बने अपेक्षाकृत बड़े नैनोकण भी क्वांटम यांत्रिकी के नियमों का पालन करते हैं। उनका यह शोध लगभग स्थूल स्तर पर क्वांटम व्यवहार के सबसे सटीक परीक्षणों में से एक है।

पदार्थ एक तरंग के रूप में

क्वांटम सिद्धांत दर्शाता है कि पदार्थ, प्रकाश की तरह, कण और तरंग दोनों के रूप में व्यवहार कर सकता है। इलेक्ट्रॉनों, परमाणुओं और छोटे अणुओं के साथ किए गए प्रयोगों में इस दोहरे व्यवहार की कई बार पुष्टि की जा चुकी है, जिनमें अक्सर व्यतिकरण या डबल-स्लिट सेटअप का उपयोग किया जाता है। हालांकि, रोजमर्रा की जिंदगी में, धूल या पत्थर जैसी वस्तुएं अनुमानित पथों का अनुसरण करती हुई और निश्चित स्थानों पर स्थित दिखाई देती हैं, जो शास्त्रीय भौतिकी के अनुरूप है।

मार्कस अर्ंड्ट और स्टीफ़न गेर्लिच के नेतृत्व में वियना की टीम ने अब यह दिखाया है कि यह तरंग-समान व्यवहार कहीं अधिक बड़े धात्विक कणों पर भी लागू होता है। उनके सोडियम क्लस्टर का व्यास लगभग 8 नैनोमीटर (लगभग 0.0000003 इंच) है और इनका द्रव्यमान 170,000 परमाणु द्रव्यमान इकाइयों से अधिक है, जो इन्हें अधिकांश प्रोटीनों से भी भारी बनाता है। इसके बावजूद, शोधकर्ता इन कणों से स्पष्ट क्वांटम व्यतिकरण पैटर्न का पता लगाने में सक्षम रहे।

“स्वाभाविक रूप से, कोई उम्मीद करेगा कि धातु का इतना बड़ा टुकड़ा एक शास्त्रीय कण की तरह व्यवहार करेगा,” प्रमुख लेखक और डॉक्टरेट छात्र सेबेस्टियन पेडलिनो कहते हैं। “लेकिन इसका अभी भी व्यतिकरण करना यह दर्शाता है कि क्वांटम यांत्रिकी इस पैमाने पर भी मान्य है और इसके लिए वैकल्पिक मॉडल की आवश्यकता नहीं है।”

"श्क्रोडिंगर का धातु का पिंड"

प्रयोग को अंजाम देने के लिए, टीम ने 5,000 से 10,000 परमाणुओं वाले ठंडे सोडियम क्लस्टर बनाए। ये क्लस्टर पराबैंगनी लेजर किरणों द्वारा निर्मित तीन विवर्तन ग्रेटिंग से गुजरे। पहले लेजर ने प्रत्येक क्लस्टर की स्थिति को एक दोहराए जाने वाले पैटर्न में निर्धारित किया, जो एक मिलीमीटर के दस हजारवें हिस्से की दूरी पर लगभग 10 एनएम की सटीकता के साथ स्थित थे। इस सेटअप ने कणों को एक सुपरपोजिशन में रखा, जिसका अर्थ है कि वे एक ही समय में सिस्टम के माध्यम से कई पथों से गुजर सकते थे।

जब ये पथ आपस में ओवरलैप हुए, तो उन्होंने एक धारीदार व्यतिकरण पैटर्न बनाया जो क्वांटम सिद्धांत की भविष्यवाणियों से मेल खाता था। परिणामों से पता चलता है कि कणों की उड़ान के दौरान कोई निश्चित स्थिति नहीं होती है। इसके बजाय, अंतरिक्ष में उनका फैलाव उनके वास्तविक आकार से कई गुना अधिक होता है।

भौतिक विज्ञानी इस व्यवहार को श्रोडिंगर की बिल्ली की अवस्था कहते हैं, जो इरविन श्रोडिंगर के प्रसिद्ध विचार प्रयोग पर आधारित है - एक बिल्ली जो एक ही समय में जीवित और मृत दोनों होती है। इस संदर्भ में, यह उपमा धातु के कणों पर लागू होती है। शोधकर्ताओं के अनुसार, "धातु का हर टुकड़ा यहाँ भी है और यहाँ नहीं भी है।"

वियना विश्वविद्यालय की प्रयोगशाला में नया पैमाना हासिल किया गया

इस शोध का सैद्धांतिक ढांचा क्लाउस हॉर्नबर्गर (ड्यूसबर्ग एसेन विश्वविद्यालय) द्वारा निकट-क्षेत्र व्यतिकरण में किए गए दो दशकों के शोध पर आधारित है, जो इस अध्ययन के सह-लेखक हैं। हॉर्नबर्गर और स्टीफ़न निम्मरिचर (तत्कालीन वियना विश्वविद्यालय) ने वृहदत्विकता की अवधारणा भी प्रस्तुत की, जो वैज्ञानिकों को यह तुलना करने में सक्षम बनाती है कि नैनो-दोलक, परमाणु व्यतिकरणमापी और नैनोध्वनिक अनुनादकों जैसी प्रणालियों में विभिन्न प्रयोग क्वांटम सिद्धांत का कितनी मजबूती से परीक्षण करते हैं।

इस अध्ययन में, टीम ने μ = 15.5 का स्थूलता मान प्राप्त किया, जो पिछले प्रयोगों की तुलना में लगभग दस गुना अधिक है। तुलना के लिए, इलेक्ट्रॉनों के साथ समान स्तर तक पहुँचने के लिए लगभग 10 करोड़ वर्षों तक क्वांटम सुपरपोज़िशन बनाए रखना आवश्यक होगा। इस प्रयोग में नैनोकणों ने इसे लगभग एक सेकंड के सौवें हिस्से में ही प्राप्त कर लिया।

आउटलुक और एप्लिकेशन

इस अध्ययन का उद्देश्य यह समझना है कि क्वांटम प्रभाव इतने असामान्य क्यों प्रतीत होते हैं, जबकि रोजमर्रा की वस्तुएं सामान्य तरीके से व्यवहार करती हैं। भविष्य के प्रयोगों में और भी बड़े कणों और विभिन्न पदार्थों का अध्ययन किया जाएगा, जिससे क्वांटम सिद्धांत की और भी कठोर परीक्षा हो सकेगी।