সাধারণ কক্ষ তাপমাত্রায় বাতাসের অণু-পরমাণুগুলো প্রতি সেকেন্ডে শত শত মিটার বেগে এলোমেলোভাবে ছুটে বেড়ায়। এই প্রচণ্ড তাপীয় গতিশীলতার কারণে সূক্ষ্ম বৈজ্ঞানিক পরিমাপে ডপলার ব্রডনিং দেখা দেয়। বিংশ শতাব্দীর শেষভাগে বিজ্ঞানীরা এক অনন্য কোয়ান্টাম পদ্ধতির বিকাশ ঘটান: লেজার আলোর বিকিরণ চাপ ব্যবহার করে পরমাণুর গতি থামিয়ে তাকে প্রায় পরম শূন্য তাপমাত্রার কাছাকাছি (মাইক্রোকেলভিন ও ন্যানোকেলভিন স্কেলে) ঠান্ডা ও বন্দি করা।

১. আলোক বিকিরণ চাপ ও অপটিক্যাল বল

আলোর প্রতিটি ফোটনে ভরবেগ থাকে (mathbf{p} = hbar mathbf{k})। একটি চলমান পরমাণু যখন তার গতির বিপরীত দিক থেকে আসা ফোটন শোষণ করে, তখন ফোটনের ভরবেগ পরমাণুর গতিকে কিছুটা কমিয়ে দেয় ((Delta v = hbar k / M))। এরপর পরমাণুটি স্বতঃস্ফূর্তভাবে ফোটন নির্গমন করলেও তা চারদিকে সমানভাবে ছড়ায় বলে সামগ্রিক নির্গমন বল শূন্য হয়, কিন্তু শোষণ বল পরমাণুর গতিকে ক্রমাগত কমিয়ে ফেলে।

২. ডপলার কুলিং ও অপটিক্যাল মোলাসেস

লেজারের ফ্রিকোয়েন্সিকে যদি পরমাণুর স্বাভাবিক রেজোন্যান্স ফ্রিকোয়েন্সির চেয়ে সামান্য লাল বা কম কম্পাঙ্কে (Red-detuned) রাখা হয়, তবে ডপলার ক্রিয়ার কারণে পরমাণুটি কেবল তখনই ফোটন শোষণ করে যখন সে সরাসরি লেজারের দিকে ছুটে যায়। তিন মাত্রায় ছয়টি লেজার রশ্মি যখন বিপরীত দিক থেকে প্রয়োগ করা হয়, তখন পরমাণু যেদিকেই যেতে চায় সেদিকেই সান্দ্র বাধার (Viscous drag) মুখে পড়ে। একে বলা হয় অপটিক্যাল মোলাসেস। এর তাত্ত্বিক শীতলীকরণ সীমা হলো ডপলার লিমিট:

[
k_B T_D = rac{hbar Gamma}{2} sim ১০০ ext{–}২০০ , mu ext{K}
]

৩. সিসিফাস কুলিং ও সাব-ডপলার তাপমাত্রা

১৯৮৮ সালে পদার্থবিজ্ঞানীরা ডপলার সীমার চেয়েও কম তাপমাত্রা রেকর্ড করেন, যা ব্যাখ্যা করেন ক্লদ কোহেন-তানৌজি। দুটি বিপরীতমুখী লেজারের মেরুকরণের ব্যতিচারে এমন একটি ত্রিমাত্রিক আলোক ক্ষেত্র তৈরি হয় যেখানে পরমাণু চলার সময় ক্রমাগত বিভব পাহাড় বেয়ে উপরে ওঠে। চূড়ায় পৌঁছানোর পর অপটিক্যাল পাম্পিংয়ের মাধ্যমে সে আবার নিচের উপত্যকায় পতিত হয় এবং পুনরায় পাহাড়ে উঠতে থাকে। গ্রিক পুরাণের সিসিফাসের মতো এই অবিরাম পাহাড়ে ওঠার ফলে পরমাণুর গতিশক্তি নিঃশেষিত হয়ে তাপমাত্রা কয়েক শত ন্যানোকেলভিনে নেমে আসে।

৪. ম্যাগনেটো-অপটিক্যাল ট্র্যাপ (MOT)

অপটিক্যাল মোলাসেস পরমাণুকে ঠান্ডা করলেও আটকে রাখতে পারে না। পরমাণুকে শূন্যে এক জায়গায় বন্দি করার জন্য যুক্ত করা হয় অ্যান্টি-হেলমহোল্টজ কয়েল দ্বারা সৃষ্ট চৌম্বক ক্ষেত্র। সিম্যান ক্রিয়ার (Zeeman effect) কারণে পরমাণুটি কেন্দ্র থেকে দূরে সরে গেলেই চৌম্বক বিভব পরিবর্তিত হয়ে লেজারের আলো শোষণ করে এবং কেন্দ্রমুখী বলের দ্বারা মাঝে ফিরে আসে:

[
F_z = -alpha v_z – kappa z
]

এই ম্যাগনেটো-অপটিক্যাল ট্র্যাপের ভেতর লক্ষ লক্ষ আল্ট্রাকোল্ড পরমাণুকে ভাসমান অবস্থায় আটকে রেখে কোয়ান্টাম কম্পিউটার, বোস-আইনস্টাইন ঘনীভবন এবং বিশ্বের নিখুঁততম পারমাণবিক অপটিক্যাল ঘড়ি তৈরি করা সম্ভব হয়েছে।

শাকিল মাহমুদ সজল

শাকিল মাহমুদ সজল

সফটওয়্যার প্রকৌশলী ও লেখক, ঢাকা, বাংলাদেশ। কম্পিউটার বিজ্ঞান, পদার্থবিজ্ঞান, ইতিহাস ও ভাবনার সমন্বয়ে ব্যক্তিগত নোট ও প্রবন্ধ সংকলন।