जॉन क्लार्क (कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले), मिशेल एच. डेवोरेट (येल विश्वविद्यालय, कनेक्टिकट और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा), और जॉन एम. मार्टिनिस (कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सांता बारबरा) ने भौतिकी में 2025 का नोबेल पुरस्कार साझा किया है। यह पुरस्कार मैक्रोस्कोपिक प्रणालियों में क्वांटम प्रभावों की अभिव्यक्ति को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करने में उनके योगदान को मान्यता देता है, जिससे हमारे विश्वास की पुष्टि होती है कि क्वांटम सिद्धांत छोटे और बड़े सभी स्तरों पर काम करता है।
उनका शोध योगदान एक मील का पत्थर है। हम अपनी संवेदी धारणाओं के आधार पर अपना अंतर्ज्ञान विकसित करते हैं, और शास्त्रीय भौतिकी ढांचा उस अनुभव की अभिव्यक्ति है, जो ज्यादातर स्थूल वस्तुओं के अवलोकन से प्राप्त होता है।
दूसरी ओर, क्वांटम सिद्धांत, जो वर्तमान में प्रकृति को समझने के लिए सबसे अच्छा ढांचा है, स्वाभाविक या स्पष्ट नहीं लगता है। जबकि इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, नाभिक और परमाणु जैसी सूक्ष्म वस्तुओं का व्यवहार शास्त्रीय भौतिकी ढांचे के भीतर समझ में नहीं आता है, क्वांटम सिद्धांत प्रयोगात्मक परिणामों की गणना करने के तरीके प्रदान करता है।
संगमरमर और रैंप
क्वांटम सिद्धांत की एक प्रति-सहज ज्ञान युक्त विशेषता क्वांटम टनलिंग है।
एक ऐसे संगमरमर को लुढ़काने की कल्पना करें जिसका सामना एक रैंप (ढलान) से हो। यदि मार्बल काफी तेजी से चलता है, तो यह रैंप पर लुढ़क सकता है और दूसरी तरफ पहुंच सकता है। हालाँकि, धीरे-धीरे चलने वाला संगमरमर रैंप को पार नहीं कर सकता। ऐसे सुस्त मार्बल्स के लिए, रैंप के दूसरी ओर के स्थान शास्त्रीय भौतिकी में निषिद्ध हैं। लेकिन क्वांटम सिद्धांत की एक अलग कहानी है।
मान लीजिए क्वांटम सिद्धांत सभी स्थितियों पर लागू होता है। इस मामले में, एक बाधा के एक तरफ से शुरू होने वाला संगमरमर दूसरे पर स्थित हो सकता है, भले ही संगमरमर में पर्याप्त ऊर्जा न हो (जैसा कि शास्त्रीय भौतिकी में आवश्यक है)। शास्त्रीय रूप से निषिद्ध क्षेत्रों में वस्तुओं को खोजने की इस संभावना को टनलिंग कहा जाता है, यह एक ऐसी विशेषता है जिसे क्वांटम सिद्धांत के शुरुआती दिनों में भी पहचाना गया था।
उदाहरण के लिए, एक नाभिक के भीतर एक अल्फा कण (दो प्रोटॉन प्लस दो न्यूट्रॉन) – भले ही उसके पास नाभिक में अन्य प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के आकर्षण से अलग होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा न हो – सुरंग बनाकर नाभिक से बाहर निकलने का प्रबंधन कर सकता है। यह वास्तव में रेडियोधर्मी नाभिक के अल्फा क्षय की उत्पत्ति की व्याख्या करता है।
जबकि अल्फा कण जैसी सूक्ष्म प्रजातियों की सुरंग बनाना, क्वांटम मैकेनिकल भविष्यवाणियों के अनुसार है, हमने कभी भी धीमी गति से संगमरमर को रैंप पार करते नहीं देखा है। तो क्या सुरंग बनाना केवल सूक्ष्म वस्तुओं का ही गुण है? यदि हां, तो क्या ऐसी कोई सीमा है जो क्वांटम को शास्त्रीय से अलग करती है?
संघनित होता है
पहले प्रश्न का उत्तर देने का एक तरीका स्थूल वस्तु में सुरंग बनाना प्रदर्शित करना है। तीन नोबेल पुरस्कार विजेताओं ने एक टीम के रूप में काम किया और मैक्रोस्कोपिक सिस्टम में टनलिंग और ऊर्जा परिमाणीकरण का प्रदर्शन किया, जो क्वांटम सिस्टम की एक और विशिष्ट विशेषता है। संगमरमर जैसी स्थूल वस्तु कई परमाणुओं से बनी होती है। संगमरमर के गुण, जो शास्त्रीय होने के कारण हमारे लिए सहज रूप से स्पष्ट हैं, परमाणुओं की विशेषताओं के संचयी प्रभाव हैं, जो सूक्ष्म हैं। लेकिन स्वतंत्रता की स्थूल डिग्री वाली एक प्रणाली के बारे में सोचना संभव है जो क्वांटम विशेषताओं को प्रदर्शित करती है।
एक सुपरकंडक्टर बिजली के प्रवाह के लिए कोई प्रतिरोध प्रदान नहीं करता है। एक सुपरकंडक्टर में, विपरीत दिशाओं में चलने वाले इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाते हैं, जिन्हें कूपर जोड़े कहा जाता है, और उनकी गति सहसंबद्ध होती है. इस सहसंबंध का मूल परमाणुओं की जाली है जो सुपरकंडक्टर बनाते हैं। कम तापमान पर, कंपन करने वाले परमाणु युग्मित इलेक्ट्रॉनों के बीच संबंध को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जावान नहीं होते हैं, जो इन जोड़ों को बिना प्रतिरोध के चलने की अनुमति देता है।
दो सुपरकंडक्टर्स के बीच स्थित एक पतला इंसुलेटिंग बैरियर जोसेफसन जंक्शन बनाता है। जब तापमान पर्याप्त रूप से कम होता है, तो कूपर जोड़े बनते हैं और जब जोसेफसन जंक्शन एक उपयुक्त विद्युत सर्किट का हिस्सा होता है, तो इलेक्ट्रॉन एक सुपरकंडक्टर से दूसरे में इंसुलेटिंग बैरियर के पार चले जाते हैं। कुल धारा ऐसे अरबों जोड़ों के प्रवास के कारण है।
उपयुक्त रूप से कम तापमान पर, जोड़ों का बड़ा संग्रह (जिसे कंडेनसेट कहा जाता है) एक एकल मैक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट के रूप में व्यवहार करता है – इसमें सभी कूपर जोड़े एक ही स्थिति में होते हैं, समान क्वांटम विशेषताओं का प्रदर्शन करते हैं। इस स्थूल वस्तु की विशेषता एक मात्रा है जिसे चरण अंतर और कूपर जोड़े की संख्या कहा जाता है, जो घनीभूत के स्थूल गुण हैं।
सर्किट का वर्णन करने वाला गणितीय समीकरण एक ढलान पर ऊपर की ओर बढ़ते हुए संगमरमर का वर्णन करने के समान है (हालांकि एक समान ढलान नहीं है)। चरण अंतर और अवरोध क्रमशः संगमरमर और रैंप के स्थान के अनुरूप हैं। क्लार्क, डेवोरेट और मार्टिनिस के प्रयोग ने सर्किट में जोसेफसन जंक्शन के पार इस “चरण अंतर” सुरंग को दिखाया।
यह अवलोकन, सादृश्य द्वारा, अवरोध के दूसरी ओर स्थानांतरित होने वाले संगमरमर के स्थान के बराबर है, और इसलिए यह स्थूल स्तरों पर सुरंग बनाने का प्रदर्शन है।
विचार कायम रहते हैं
टीम ने ऊर्जा परिमाणीकरण भी स्थापित किया, जिसका अर्थ है कि सर्किट में कुल ऊर्जा केवल मूल्यों का एक विशिष्ट सेट ले सकती है, यह प्रमाणित करने के लिए कि जोसेफसन जंक्शन वाला सर्किट स्पष्ट रूप से क्वांटम था। इसने निर्णायक रूप से स्थापित किया कि सुरंग बनाने जैसी गैर-शास्त्रीय सुविधा अरबों कूपर जोड़े के पैमाने पर भी मौजूद है।
क्वांटम-शास्त्रीय संक्रमण अभी भी अस्थिर है। हालाँकि, यह मानने के कारण हैं कि स्थूल प्रणालियों की उनके परिवेश के साथ परस्पर क्रिया एक प्रमुख कारण है कि क्वांटम प्रभाव संगमरमर जैसी बड़ी वस्तुओं में प्रकट नहीं होते हैं।
हालाँकि ये प्रयोग 1980 के दशक के मध्य में किए गए थे, फिर भी ये विचार कई क्षेत्रों में अनुसंधान गतिविधियों को बढ़ावा दे रहे हैं। सबसे विशेष रूप से, क्वांटम कंप्यूटिंग को इन विचारों से अत्यधिक लाभ हुआ है। क्वांटम कंप्यूटर का मूलभूत घटक एक क्वबिट (क्वांटम बिट) है जिसमें संसाधित होने वाली जानकारी होती है। क्वांटम गणना करने के लिए क्वैबिट की एक बड़ी श्रृंखला की आवश्यकता होती है। कई भौतिक प्रणालियाँ क्वैब को साकार करने के लिए उपयुक्त हैं, और सुपरकंडक्टिंग क्वबिट जोसेफसन जंक्शन वाले सर्किट हैं, जो नोबेल पुरस्कार विजेताओं द्वारा डिजाइन किए गए के समान हैं।
पुरस्कार विजेताओं का काम बुनियादी शोध के महत्व की ओर भी इशारा करता है। हालाँकि कार्य की मूल प्रेरणा क्वांटम कंप्यूटिंग नहीं थी, लेकिन क्षेत्र पर इसका प्रभाव काफी हद तक दर्शाता है कि कैसे बुनियादी अनुसंधान तकनीकी नवाचारों को बढ़ावा दे सकता है।
एस. श्रीनिवासन क्रेया विश्वविद्यालय में भौतिकी के प्रोफेसर हैं।
