क्वांटम स्विंग में परमाणु नाभिक: परमाणु उत्तेजनाओं का अत्यधिक सटीक नियंत्रण अल्ट्रा-सटीक परमाणु घड़ियों और शक्तिशाली परमाणु बैटरियों की संभावनाओं को खोलता है

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हीडलबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट की एक टीम एक्स-रे लाइट के एक फ्लैश के साथ लोहे के परमाणुओं के नाभिक को उकसाती है और फिर अलग-अलग देरी और टुकड़ी के साथ नमूने पर एक दूसरा ऐसा फ्लैश भेजती है। फिर, लगभग 200 नैनोसेकंड की अवधि में, शोधकर्ता प्रकाश की तीव्रता को मापते हैं जिसके साथ नाभिक अवशोषित ऊर्जा (हल्के पीले: उच्च तीव्रता; वायलेट: कम तीव्रता) को छोड़ता है। वे देरी का चयन कर सकते हैं ताकि दूसरी फ्लैश उत्तेजना कम हो जाए और नाभिक अपनी ऊर्जा को जल्दी और उच्च तीव्रता (ए) के साथ जारी करें। केवल 50 नैनोसेकंड के बाद, उत्सर्जन में काफी कमी आई है। इसके विपरीत, वे अभी भी 100 से अधिक नैनोसेकंड के बाद प्रकाश की एक बड़ी मात्रा का उत्सर्जन करते हैं यदि दूसरी नाड़ी पहले (बी) से उत्तेजना को बढ़ाती है। श्रेय
परमाणु भौतिकी के लिए एम.पी.आई.

सार:
परमाणु घड़ियों से लेकर क्वांटम कंप्यूटरों तक सुरक्षित संचार: ये विकास लेजर प्रकाश की मदद से परमाणु के गोले में इलेक्ट्रॉनों के क्वांटम व्यवहार के बेहतर नियंत्रण पर आधारित हैं। अब, पहली बार, हीडलबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर फिजिक्स के भौतिकविदों ने एक्स-रे प्रकाश का उपयोग करके परमाणु नाभिक में क्वांटम कूद को ठीक से नियंत्रित करने में सफलता प्राप्त की है। इलेक्ट्रॉन प्रणालियों की तुलना में, परमाणु क्वांटम जंप चरम हैं - ऊर्जा के साथ लाखों गुना अधिक और अविश्वसनीय रूप से शॉर्ट जिप्टोसॉन्ड प्रोसेस। एक जिप्टोसिंक सेकंड के एक अरबवें हिस्से का एक ट्रिलियन है। पुरस्कारों में क्वांटम दुनिया में गहन अंतर्दृष्टि, अति-सटीक परमाणु घड़ियों, और विशाल भंडारण क्षमता के साथ परमाणु बैटरी शामिल हैं। इस प्रयोग के लिए एक हीडलबर्ग समूह द्वारा विकसित एक परिष्कृत एक्स-रे फ्लैश सुविधा की आवश्यकता थी, जो एक अंतरराष्ट्रीय सहयोग के हिस्से के रूप में जार्ज एवर्स के नेतृत्व में विकसित हुई।

क्वांटम स्विंग में परमाणु नाभिक: परमाणु उत्तेजनाओं का अत्यधिक सटीक नियंत्रण अल्ट्रा-सटीक परमाणु घड़ियों और शक्तिशाली परमाणु बैटरी की संभावनाओं को खोलता है

हीडलबर्ग, जर्मनी | 19 फरवरी, 2021 को पोस्ट किया गया

आधुनिक भौतिकी की महान सफलताओं में से एक गतिशील क्वांटम प्रक्रियाओं का तेजी से सटीक नियंत्रण है। यह अपने सभी विषमताओं के साथ क्वांटम दुनिया की गहरी समझ में सक्षम बनाता है और नई क्वांटम प्रौद्योगिकियों का प्रेरक बल भी है। लेकिन परमाणुओं के दृष्टिकोण से, "सुसंगत नियंत्रण" अब तक सतही बना हुआ है: यह परमाणुओं के बाहरी आवरण में इलेक्ट्रॉनों का क्वांटम कूद है जो लेजर द्वारा तेजी से नियंत्रित हो गया है। लेकिन जैसा कि क्रिस्टोफ कीटेल बताते हैं, परमाणु नाभिक स्वयं भी क्वांटम सिस्टम हैं जिसमें परमाणु निर्माण खंड विभिन्न क्वांटम राज्यों के बीच क्वांटम जंप कर सकते हैं।

ऊर्जा-समृद्ध क्वांटम परमाणु बैटरी के लिए कूदता है

"इलेक्ट्रान के गोले की इस सादृश्यता के अलावा, इसमें भारी अंतर हैं", हीडलबर्ग में मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट फॉर न्यूक्लियर भौतिकी के निदेशक बताते हैं: "वे हमें बहुत उत्साहित कर रहे हैं!" विभिन्न क्वांटम राज्यों के बीच क्वांटम कूदता है वास्तव में एक प्रकार की ऊर्जा सीढ़ी पर कूदता है। "और इन क्वांटम जंपर्स की ऊर्जा अक्सर इलेक्ट्रॉन शेल की तुलना में परिमाण के छह आदेश हैं", केटेल कहते हैं। परमाणु घटक द्वारा बनाई गई एक एकल क्वांटम छलांग इस प्रकार एक लाख गुना अधिक ऊर्जा को पंप कर सकती है - या इसे फिर से निकाल सकती है। इसने अभूतपूर्व भंडारण क्षमता के साथ परमाणु बैटरी के विचार को जन्म दिया है।

ऐसे तकनीकी अनुप्रयोग अभी भी भविष्य के दर्शन हैं। फिलहाल, शोध इन क्वांटम जंप को लक्षित तरीके से संबोधित करने और नियंत्रित करने पर जोर देता है। इसके लिए ठीक-ठीक नियंत्रित, उच्च-ऊर्जा वाले एक्स-रे प्रकाश की आवश्यकता होती है। हीडलबर्ग टीम 10 वर्षों से ऐसी प्रायोगिक तकनीक पर काम कर रही है। अब इसका पहली बार उपयोग किया गया है।

सटीक आवृत्तियाँ अति-सटीक परमाणु घड़ियों को सक्षम करती हैं

परमाणु नाभिक के क्वांटम राज्य इलेक्ट्रॉन राज्यों पर एक और महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करते हैं। इलेक्ट्रॉनिक क्वांटम छलांग की तुलना में, वे बहुत अधिक तेजी से परिभाषित होते हैं। क्योंकि यह भौतिकी के नियमों के अनुसार अधिक सटीक आवृत्तियों में सीधे अनुवाद करता है, वे, सिद्धांत रूप में, अत्यंत सटीक माप के लिए उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यह अति-सटीक परमाणु घड़ियों के विकास को सक्षम कर सकता है जो आज की परमाणु घड़ियों को प्राचीन पेंडुलम घड़ियों की तरह बना देगा। ऐसी घड़ियों के तकनीकी अनुप्रयोगों के अलावा (जैसे नेविगेशन में), उनका उपयोग आज के भौतिकी के मूल सिद्धांतों की अधिक सटीक रूप से जांच करने के लिए किया जा सकता है। इसमें मूल प्रश्न शामिल है कि क्या प्रकृति के स्थिरांक वास्तव में स्थिर हैं। हालांकि, ऐसी सटीक तकनीकों को नाभिक में क्वांटम संक्रमण के नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

समन्वित प्रकाश चमक उत्तेजना को बढ़ाती है या कम करती है

हीडलबर्ग प्रयोगात्मक तकनीक का सिद्धांत पहली बार में काफी सरल लगता है। यह उच्च-ऊर्जा एक्स-रे प्रकाश के दालों (यानी चमक) का उपयोग करता है, जो वर्तमान में ग्रेनोबल में यूरोपीय सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत ईएसआरएफ द्वारा प्रदान किए जाते हैं। प्रयोग पहले नमूने में इन एक्स-रे दालों को इस तरह से विभाजित करता है कि एक समय की देरी के साथ पहले नाड़ी के बाकी हिस्सों के पीछे एक दूसरी नाड़ी होती है। एक के बाद एक, दोनों एक दूसरे नमूने का सामना करते हैं, जांच की वास्तविक वस्तु।

पहली नाड़ी बहुत संक्षिप्त है और इसमें आवृत्तियों का एक व्यापक मिश्रण होता है। शॉटगन विस्फोट की तरह, यह नाभिक में एक क्वांटम कूद को उत्तेजित करता है; पहले प्रयोग में, यह लोहे के परमाणुओं के नाभिक में एक विशेष क्वांटम अवस्था थी। दूसरी पल्स बहुत लंबी होती है और इसमें एक ऊर्जा होती है जो क्वांटम जंप के लिए ठीक होती है। इस तरह, यह विशेष रूप से पल्स 1 द्वारा ट्रिगर क्वांटम गतिकी को हेरफेर कर सकता है। दो दालों के बीच के समय के अंतराल को समायोजित किया जा सकता है। यह टीम को समायोजित करने की अनुमति देता है कि क्या दूसरी पल्स क्वांटम राज्य के लिए अधिक रचनात्मक या विनाशकारी है।

हीडलबर्ग भौतिकविदों ने इस नियंत्रण तंत्र की तुलना एक झूले से की है। पहले नाड़ी के साथ, आप इसे धक्का देते हैं। इसके दोलन के चरण पर निर्भर करता है जिसमें आप इसे दूसरा धक्का देते हैं, यह और भी मजबूत हो जाता है या धीमा हो जाता है।

पल्स नियंत्रण कुछ zeptoseconds के लिए सटीक है

लेकिन जो सरल लगता है वह एक तकनीकी चुनौती है जिसे अनुसंधान के वर्षों की आवश्यकता है। एक परमाणु नाभिक की क्वांटम गतिकी में एक नियंत्रित परिवर्तन के लिए आवश्यक है कि दूसरे नाड़ी की देरी कुछ जिप्टोसिंडों के अकल्पनीय रूप से कम समय के पैमाने पर स्थिर हो। क्योंकि तभी दोनों दल एक साथ नियंत्रित तरीके से काम करते हैं।

एक zeptosecond दूसरे के एक अरबवें हिस्से का एक ट्रिलियन है - या एक दशमलव बिंदु जिसके बाद 20 शून्य हैं और 1. एक zeptosecond में, प्रकाश एक मध्यम आकार के परमाणु के एक प्रतिशत से गुजरने का प्रबंधन भी नहीं करता है। आप हमारी दुनिया के संबंध में इसकी कल्पना कैसे कर सकते हैं? "अगर आप कल्पना करते हैं कि एक परमाणु पृथ्वी के जितना बड़ा था, जो कि लगभग 50 किमी होगा, जोर्ग इवार्स कहते हैं, जिन्होंने परियोजना शुरू की थी।

नमूना को एक मीटर के 45 ट्रिलियन द्वारा स्थानांतरित किया जाता है

पहले नमूने के एक छोटे से विस्थापन से दूसरे एक्स-रे पल्स में देरी होती है, जिसमें उपयुक्त क्वांटम संक्रमण के साथ लोहे के नाभिक भी होते हैं। "न्यूक्लियर चुनिंदा समय के लिए पहली एक्स-रे पल्स से ऊर्जा का भंडारण करता है, जिसके दौरान नमूना को एक्स-रे प्रकाश के लगभग आधा तरंग दैर्ध्य द्वारा स्थानांतरित किया जाता है", न्यूक्लीयर मैक्स प्लैंक इंस्टीट्यूट में निदेशक थॉमस पिएफ़र बताते हैं। हीडलबर्ग में भौतिकी। यह एक मीटर के लगभग 45 खरब से मेल खाती है। इस छोटे से आंदोलन के बाद, नमूना दूसरी नाड़ी का उत्सर्जन करता है।

भौतिक विज्ञानी अपने प्रयोग की तुलना दो ट्यूनिंग कांटों से करते हैं जो एक पटाखे (चित्रा 2) से अलग दूरी पर हैं। बैंग पहले करीब ट्यूनिंग कांटा पर हमला करता है, जिससे यह कंपन होता है, और फिर दूसरी ट्यूनिंग कांटा पर आगे बढ़ता है। इस बीच, पहला ट्यूनिंग कांटा, जो अब उत्साहित है, ध्वनि तरंगों का उत्सर्जन खुद करता है, जो दूसरे कांटे पर देरी से पहुंचता है। देरी के समय के आधार पर, यह ध्वनि या तो दूसरे कांटे के कंपन को बढ़ाती है या घटाती है - बस दोलन स्विंग पर दूसरे धक्का की तरह, साथ ही उत्तेजित नाभिक के मामले के लिए।

इस प्रयोग के साथ, Jörg Evers, Christoph Keitel और Thomas Pfeifer और उनकी टीम ने Max Planck Institute for Nuclear Physics के लिए हैम्बर्ग में DESY के शोधकर्ताओं के साथ सहयोग में और Helenaholtz Institute / Frienarich Schiller University जेना में पहली बार सुसंगत प्रदर्शन करने में सफलता प्राप्त की। परमाणु उत्तेजनाओं पर नियंत्रण। ईएसआरएफ में उन जैसे सिंक्रोट्रॉन सुविधाओं के अलावा, डेसी में यूरोपीय एक्सएफईएल जैसे फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर (एफईएल) ने हाल ही में एक्स-रे विकिरण के शक्तिशाली स्रोत प्रदान किए हैं - यहां तक कि लेजर जैसी गुणवत्ता में भी। यह परमाणु क्वांटम प्रकाशिकी के उभरते क्षेत्र के लिए एक गतिशील भविष्य को खोलता है।

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