धीमी रोशनी

धीमी रोशनी बहुत कम समूह वेग पर ऑप्टिकल पल्स या ऑप्टिकल वाहक के अन्य मॉडुलन का प्रसार है। धीमी रोशनी तब होती है जब प्रसार पल्स उस माध्यम के साथ परस्पर क्रिया से अधिक धीमी हो जाती है जिसमें प्रसार होता है।

प्रकाश की गति के नीचे समूह वेगों को 1880 तक संभव माना जाता था, किंतु 1991 तक उपयोगी विधि से महसूस नहीं किया जा सका, जब स्टीफन हैरिस और सहयोगियों ने फंसे हुए स्ट्रोंटियम परमाणुओं में विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित पारदर्शिता का प्रदर्शन किया। 1995 में प्रकाश की गति में 165 गुना कमी दर्ज की गई थी। 1998 में, डेनिश भौतिक विज्ञानी लेने वेस्टरगार्ड हाउ ने हार्वर्ड विश्वविद्यालय और रोलैंड इंस्टीट्यूट फॉर साइंस की संयुक्त टीम का नेतृत्व किया जिसने प्रकाश के बहुत कम समूह वेगों को महसूस किया। वे प्रकाश की किरण को लगभग 17 मीटर प्रति सेकंड तक धीमा करने में सफल रहे। 2004 में, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के शोधकर्ताओं ने पहली बार 9.6 किलोमीटर प्रति सेकंड के समूह वेग के साथ अर्धचालक में धीमी रोशनी का प्रदर्शन किया। हाऊ और उनके सहयोगियों ने बाद में प्रकाश को पूरी तरह से रोकने में सफलता प्राप्त की, और एसी विधि विकसित की जिनके द्वारा इसे रोका जा सकता है और बाद में फिर से प्रारंभ किया जा सकता है।

2005 में, आईबीएम ने एकीकृत परिपथ बनाया जो प्रकाश को धीमा कर सकता है, अधिक मानक पदार्थो से बना है, संभावित रूप से वाणिज्यिक अपनाने का मार्ग प्रशस्त करता है।

पृष्ठभूमि
जब प्रकाश किसी पदार्थो के माध्यम से फैलता है, तो यह निर्वात गति $c$ की तुलना में धीमी गति से यात्रा करता है। यह प्रकाश के चरण वेग में परिवर्तन है और अपवर्तन जैसे भौतिक प्रभावों में प्रकट होता है। गति में यह कमी $c$ और चरण वेग के बीच के अनुपात से निर्धारित होती है। इस अनुपात को पदार्थो का अपवर्तक सूचकांक कहा जाता है। धीमा प्रकाश प्रकाश के समूह वेग में आकस्मिक कमी है, चरण वेग नहीं धीमा प्रकाश प्रभाव असामान्य रूप से बड़े अपवर्तक सूचकांकों के कारण नहीं होता है, जैसा कि नीचे बताया जाएगा।

मौलिक भौतिकी द्वारा दी गई प्रकाश की सबसे सरल तस्वीर प्रकाश या विद्युत चुम्बकीय सिद्धांत या विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में विघ्न की है। निर्वात में, मैक्सवेल के समीकरण भविष्यवाणी करते हैं कि ये विघ्न विशिष्ट गति से यात्रा करेगी, जिसे प्रतीक $c$ द्वारा दर्शाया गया है। यह प्रसिद्ध भौतिक स्थिरांक सामान्यतः प्रकाश की गति के रूप में जाना जाता है। सभी जड़त्वीय संदर्भ फ़्रेमों में प्रकाश की गति की स्थिरता का सिद्धांत विशेष सापेक्षता के केंद्र में है और इसने लोकप्रिय धारणा को जन्म दिया है कि प्रकाश की गति सदैव समान होती है। चूँकि, कई स्थितियों में प्रकाश विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में विघ्न से अधिक होता है।

एक माध्यम के अन्दर प्रकाश यात्रा अब केवल विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की विघ्न नहीं है, किंतु पदार्थो के अन्दर आवेशित कणों (इलेक्ट्रॉन) के क्षेत्र और स्थिति और वेग की विघ्न है। इलेक्ट्रॉनों की गति क्षेत्र द्वारा निर्धारित की जाती है (लोरेंत्ज़ बल के कारण) किंतु क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों की स्थिति और वेग से निर्धारित होता है (गॉस के नियम और एम्पीयर के बल के नियम के कारण)। इस संयुक्त विद्युत-चुम्बकीय-आवेश घनत्व क्षेत्र (अर्थात प्रकाश) की विघ्न का व्यवहार अभी भी मैक्सवेल के समीकरणों द्वारा निर्धारित किया जाता है, किंतु माध्यम और क्षेत्र के बीच घनिष्ठ संबंध के कारण समाधान जटिल हैं।

पदार्थो में प्रकाश के व्यवहार को समझना समय के साइनसोइडल कार्यों के लिए अध्ययन की गई विघ्न के प्रकारों को सीमित करके सरल किया जाता है। इस प्रकार के विक्षोभों के लिए मैक्सवेल के समीकरण बीजगणितीय समीकरणों में परिवर्तित हो जाते हैं और आसानी से हल हो जाते हैं। ये विशेष विघ्न $c$ की तुलना में धीमी गति से एक पदार्थो के माध्यम से फैलती है जिसे चरण वेग कहा जाता है। $c$ और चरण वेग के बीच के अनुपात को अपवर्तक सूचकांक या पदार्थो ($n$) के अपवर्तन के सूचकांक कहा जाता है। अपवर्तन का सूचकांक किसी दिए गए पदार्थ के लिए स्थिर नहीं है, किंतु तापमान, दबाव और (साइनसोइडल) प्रकाश तरंग की आवृत्ति पर निर्भर करता है। यह उत्तरार्द्ध फैलाव (प्रकाशिकी) नामक प्रभाव की ओर जाता है।

एक मानव आँख साइनसोइडल विघ्न की चमकदार तीव्रता को प्रकाश की चमक और आवृत्ति के रंग या भौतिकी के रंग के रूप में देखती है। यदि प्रकाश विशिष्ट समय पर चालू या बंद होता है या अन्यथा संग्राहक होता है, तो साइनसोइडल विघ्न का आयाम भी समय पर निर्भर होता है। समय-भिन्न आयाम चरण वेग पर नहीं किंतु समूह वेग पर फैलता है। समूह वेग न केवल पदार्थो के अपवर्तक सूचकांक पर निर्भर करता है, किंतु जिस तरह से अपवर्तक सूचकांक आवृत्ति के साथ बदलता है (अर्थात आवृत्ति के संबंध में अपवर्तक सूचकांक का व्युत्पन्न)।

धीमा प्रकाश प्रकाश के बहुत कम समूह वेग को संदर्भित करता है। यदि अपवर्तक सूचकांक का फैलाव संबंध ऐसा है कि आवृत्ति की छोटी श्रृंखला में सूचकांक तेजी से बदलता है, तो समूह वेग बहुत कम हो सकता है, हजारों या लाखों गुना $c$ से कम, भले ही अपवर्तन का सूचकांक अभी भी विशिष्ट मान है (ग्लास और सेमीकंडक्टर्स के लिए 1.5 और 3.5 के बीच)।

धीमी रोशनी प्राप्त करने की विधि
ऐसे कई तंत्र हैं जो धीमी रोशनी उत्पन्न कर सकते हैं, जिनमें से सभी उच्च फैलाव (ऑप्टिक्स) के साथ संकीर्ण वर्णक्रमीय क्षेत्र बनाते हैं, अर्थात फैलाव संबंध में चोटियाँ। योजनाओं को सामान्यतः दो श्रेणियों में बांटा जाता है: पदार्थो फैलाव और वेवगाइड फैलाव। पदार्थो फैलाव तंत्र जैसे इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रूप से प्रेरित पारदर्शिता (ईआईटी), सुसंगत जनसंख्या दोलन (सीपीओ), और विभिन्न चार-तरंग मिश्रण (एफडब्ल्यूएम) योजनाएं ऑप्टिकल आवृत्ति के कार्य के रूप में अपवर्तक सूचकांक में तेजी से बदलाव का उत्पादन करती हैं, अर्थात, वे प्रसार लहर की लौकिक घटक को संशोधित करती हैं। यह किसी माध्यम के सिग्नल या जांच क्षेत्र में द्विध्रुवीय प्रतिक्रिया को संशोधित करने के लिए गैर-रैखिक प्रभाव का उपयोग करके किया जाता है। वेवगाइड फैलाव तंत्र जैसे कि फोटोनिक क्रिस्टल, युग्मित गुंजयमान यंत्र ऑप्टिकल वेवगाइड (सीआरओडब्ल्यू), और अन्य माइक्रो-रेज़ोनेटर संरचनाएं प्रसार तरंग के स्थानिक घटक (के-वेक्टर) को संशोधित करती है। एकल नकारात्मक मेटामटेरियल्स (एसएनएम) या डबल नकारात्मक मेटामटेरियल्स (डीएनएम) के साथ महसूस किए गए प्लानर वेवगाइड्स के फैलाव गुणों का शोषण करके धीमी रोशनी भी प्राप्त की जा सकती है।

धीमी रोशनी योजनाओं की योग्यता का प्रमुख आंकड़ा विलंब-बैंडविड्थ उत्पाद (डीबीपी) है। अधिकांश धीमी रोशनी योजनाएं वास्तव में बैंडविड्थ (सिग्नल प्रोसेसिंग) की कीमत पर दी गई डिवाइस लंबाई (लंबाई/विलंब = सिग्नल वेग) के लिए उचित ढंग से लंबी देरी की प्रस्तुति कर सकती हैं। दोनों का उत्पाद लगभग स्थिर है। योग्यता का संबंधित आंकड़ा भिन्नात्मक विलंब है, पल्स के कुल समय से विभाजित होने पर पल्स में देरी होती है। प्लास्मोन प्रेरित पारदर्शिता - ईआईटी का एनालॉग - विभिन्न अनुनाद मोड के बीच विनाशकारी हस्तक्षेप के आधार पर और दृष्टिकोण प्रदान करता है। वर्तमान के काम ने अब 0.40 THz से अधिक आवृत्ति रेंज में व्यापक पारदर्शिता विंडो पर इस प्रभाव का प्रदर्शन किया है।

संभावित उपयोग
ऑप्टिकल स्विच जो फोटोनिक क्रिस्टल में धीमी रोशनी का उपयोग करते हैं, फाइबर ऑप्टिक केबल्स में तेजी से डेटा ट्रांसमिशन का उत्पादन कर सकते हैं, जबकि बिजली की कम आवश्यकताएं होती हैं। ऑप्टिकल नेटवर्किंग में देरी को नियंत्रित करने के लिए धीमी रोशनी का भी उपयोग किया जा सकता है, जिससे अधिक व्यवस्थित यातायात प्रवाह की अनुमति मिलती है। इसके अतिरिक्त, इंटरफेरोमीटर बनाने के लिए धीमी रोशनी का उपयोग किया जा सकता है जो परंपरागत इंटरफेरोमीटर की तुलना में आवृत्ति बदलाव के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं। इस संपत्ति का उपयोग उचित, छोटे आवृत्ति सेंसर और कॉम्पैक्ट उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले स्पेक्ट्रोमीटर बनाने के लिए किया जा सकता है। अन्य संभावित अनुप्रयोगों में ऑप्टिकल क्वांटम मेमोरी सम्मिलित है।

कल्पना में
मौरिस रेनार्ड के उपन्यास, ले मैत्रे डे ला लुमीएर (द मास्टर ऑफ लाइट, 1933) में ल्यूमिनाइट का वर्णन, धीमी रोशनी के प्रारंभिक उल्लेखों में से एक हो सकता है।

"ये खिड़की के शीशे एक ऐसी रचना के होते हैं जिसके माध्यम से प्रकाश उसी तरह धीमा हो जाता है जब वह पानी से गुजरता है। आप अच्छी तरह से जानते हैं, पेरोन, कैसे कोई ध्वनि को अधिक तेज़ी से सुन सकता है, उदाहरण के लिए, एक धातु नाली या साधारण स्थान की तुलना में कोई अन्य ठोस। खैर, पेरोन, यह सब घटना के एक ही परिवार का है!

यहाँ समाधान है। कांच के ये शीशे अविश्वसनीय दर से प्रकाश को धीमा कर देते हैं क्योंकि सौ साल तक इसे धीमा करने के लिए केवल एक अपेक्षाकृत पतली चादर की जरूरत होती है। प्रकाश की एक किरण को पदार्थ के इस टुकड़े से गुजरने में सौ साल लग जाते हैं! इस गहराई के सौवें भाग से गुजरने में इसे एक साल का समय लगेगा."

धीमी रोशनी को संबोधित करने वाले बाद के काल्पनिक काम नीचे दिए गए हैं।


 * डेव एगर्स के उपन्यास यू शैल नो अवर वेलोसिटी (2002) में धीमी रोशनी के प्रयोगों का उल्लेख किया गया है, जिसमें प्रकाश की गति को संडे क्रॉल के रूप में वर्णित किया गया है।
 * डिस्कवर्ल्ड पर, जहां टेरी प्रचेत का डिस्कवर्ल्ड होता है, डिस्कवर्ल्ड के शर्मनाक रूप से मजबूत जादू क्षेत्र के कारण प्रकाश केवल कुछ सौ मील प्रति घंटे की यात्रा करता है।
 * स्लो ग्लास बॉब शॉ की लघु कहानी लाइट ऑफ़ अदर डेज़ (एनालॉग साइंस फिक्शन एंड फैक्ट, 1966) और बाद की कई कहानियों में काल्पनिक पदार्थो है। जो वर्षों या दशकों तक प्रकाश के पारित होने में देरी करता है, कांच का उपयोग खिड़कियों के निर्माण के लिए किया जाता है, जिसे दृश्य कहा जाता है, जो शहर के निवासियों, पनडुब्बी और कैदियों को लाइव ग्रामीण इलाकों के दृश्य देखने में सक्षम बनाता है। स्लो ग्लास ऐसी पदार्थो है जहां कांच के माध्यम से निकलने में विलंबित प्रकाश का श्रेय ग्लास में प्रत्येक परमाणु के कब्जे के त्रिज्या के बाहर घुमावदार सर्पिल सुरंग के माध्यम से निकलने वाले फोटोन को दिया जाता है। शॉ ने बाद में कहानियों को अन्य दिनों, अन्य आंखों (1972) उपन्यास में फिर से काम किया।
 * स्लो लाइट (2022) दो एनीमेशन विधियों के साथ किजेक/एडम्सकी द्वारा बनाई गई लघु फिल्म है। यह ऐसे लड़के की कहानी है जो जन्म से अंधा होता है और अचानक सात साल की उम्र में उसे रोशनी दिखाई देती है। चिकित्सा परीक्षा से पता चलता है कि उसकी आंखें इतनी घनी हैं कि प्रकाश को रेटिना तक पहुंचने में और इसलिए छवि को उसकी चेतना तक पहुंचने में सात साल लग जाते हैं। आंख के दोष का परिणाम मनुष्य की मानसिक अपरिपक्वता, वर्तमान की समझ की कमी और लंबे समय से चले आ रहे तथ्यों पर विचार करने में होता है। आदमी कभी भी अपनी उम्र के लिए पर्याप्त परिपक्व नहीं होता है और लगातार अतीत में डूबा रहता है।

यह भी देखें

 * c के ऊपर समूह वेग

संदर्भ

 * Lene Vestergaard Hau, S.E. Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Nature v.397, p. 594 (1999).
 * "IBM's new photonic wave-guide". Nature, November 2004.
 * J. Scheuer, G. T. Paloczi, J. K. S. Poon and A. Yariv, "Coupled Resonator Optical Waveguides: Towards Slowing and Storing of Light", Opt. Photon. News, Vol. 16 (2005) 36.

Lichtgeschwindigkeit