एटोसेकंड फिजिक के भारतीय स्वाद

 इस क्षेत्र में आईआईटी बॉम्बे के शोधकर्ता का योगदान जिसने भौतिकी में 2023 का नोबेल पुरस्कार जीता

हम इंसानों ने आश्चर्यों की दुनिया की खोज की जब हम सबसे छोटी से भी छोटी वस्तुओं और सबसे तेज गति से होने वाली घटनाओं को देखने में सक्षम हुए। जबकि कहा जाता है कि ब्रह्मांड एक अरब अरब वर्षों से अस्तित्व में है, आपको क्या लगता है कि जब आप एक सेकंड को उन कई भागों में विभाजित करते हैं तो उस अवधि में क्या हो रहा होगा? एक सेकंड के अरबवें अरबवें हिस्से को एटोसेकंड कहा जाता है, और मनुष्य अब केवल कुछ दसियों एटोसेकंड लंबे प्रकाश की चमक उत्पन्न कर सकते हैं। ऐनी एल'हुइलियर, पियरे एगोस्टिनी और फेरेंक क्रॉस्ज़ को उनके अग्रणी काम के लिए भौतिकी में नोबेल पुरस्कार 2023 से सम्मानित किया गया, जिसने एटोसेकंड-लंबी प्रकाश की चमक को संभव बनाया।

यह जानना रोमांचक है कि भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान बॉम्बे के भौतिक विज्ञानी प्रोफेसर गोपाल दीक्षित एटोसेकंड भौतिकी के क्षेत्र में सक्रिय रूप से योगदान दे रहे हैं। “मुझे यकीन था कि देर-सबेर एटोसेकंड भौतिकी के क्षेत्र को नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया जाएगा। यह प्रकृति में एक मौलिक विषय है और साथ ही इसमें आगामी क्वांटम प्रौद्योगिकियों में एक बड़ी छलांग लगाने की बहुत बड़ी क्षमता है, ”वे कहते हैं। प्रोफेसर दीक्षित और उनकी टीम एटोसेकंड भौतिकी के कई सैद्धांतिक पहलुओं और अनुप्रयोगों पर काम कर रही है। वे कुछ ऐसी समस्याओं को हल करने में मदद कर रहे हैं जिन्हें नोबेल पुरस्कार विजेता, उनकी टीमें और अन्य शोधकर्ता हल करना चाहते हैं।

एटोसेकंड पल्स: उन्हें कैसे उत्पन्न करें और वे क्या कर सकते हैं

1990 के दशक में, ऐनी एल'हुइलियर ने प्रकाश के छोटे विस्फोट बनाने के लिए एक रास्ता तैयार किया, जिसमें केवल कुछ दोलन होते हैं और कुछ सौ एटोसेकंड लंबे होते हैं। उसने लेज़र किरण से नियॉन जैसी उत्कृष्ट गैस के परमाणुओं पर बमबारी की। जब लेज़र प्रकाश किसी परमाणु से टकराता है, तो यह उत्कृष्ट गैस में परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा देता है। इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और बाद में इसे मूल प्रकाश के दोलनों की तुलना में कई गुना तेज दोलनों के साथ प्रकाश के रूप में छोड़ते हैं। परमाणुओं से दोलनों को ओवरले करने के तरीकों को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, वह एटोसेकंड लंबी दालें बना सकती थी। इस शोध से प्राप्त जानकारी का लाभ उठाते हुए, 2001 में, पियरे एगोस्टिनी ने बहुत छोटी पल्स की एक ट्रेन उत्पन्न करने के लिए तकनीक विकसित की, प्रत्येक पल्स केवल 250 एटोसेकंड लंबी थी। स्वतंत्र रूप से, फ़ेरेन्क क्राउज़ 650 एटोसेकंड की एक पल्स उत्पन्न कर सकता है।

इतनी कम समय में प्रकाश की एक स्पंदन उत्पन्न करने की क्षमता ने कई संभावनाओं को खोल दिया, जिनमें से एक महत्वपूर्ण यह निरीक्षण करने में सक्षम होना है कि इलेक्ट्रॉन पदार्थ में कैसे व्यवहार करते हैं और कैसे चलते हैं। आइंस्टीन ने भविष्यवाणी की थी कि जब किसी परमाणु पर प्रकाश पड़ता है, तो उस परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाता है (फोटोआयनाइजेशन)। ऐसा माना जाता था कि जब इलेक्ट्रॉन प्रकाश से ऊर्जा अवशोषित करता है तो वह तुरंत मुक्त हो जाता है। 2010 में, एटोसेकंड पल्स अब संभव होने के साथ, क्रॉस्ज़ ने एक नियॉन परमाणु से एक इलेक्ट्रॉन के निकलने में लगने वाले समय का अवलोकन और माप किया। उन्होंने पाया कि न केवल घटना तात्कालिक नहीं है - इलेक्ट्रॉन कुछ एटोसेकंड के बाद निकल जाता है - बल्कि यह भी कि इसमें लगने वाला समय इलेक्ट्रॉन की प्रारंभिक ऊर्जा पर निर्भर करता है। एल'हुइलियर ने 2011-2012 में आर्गन के साथ प्रयोग दोहराया।

प्रायोगिक परिणामों के साथ सिद्धांत का मिलान

प्रयोग किए जाने के बाद कुछ समय तक, भौतिक विज्ञानी सैद्धांतिक मॉडल में डेटा बिंदुओं को पुन: पेश करने और प्रयोगात्मक परिणामों के साथ उनका मिलान करने में सक्षम नहीं थे। प्रोफेसर दीक्षित और टीम ने 2013 में एक सैद्धांतिक विधि प्रस्तावित की जो एल'हुइलियर के प्रयोग में तीन में से दो डेटा बिंदुओं से मेल खा सकती है, जिससे भौतिकविदों को विश्वास हो गया कि प्रयोग सही हैं और सिद्धांत से सहमत हैं।

जिस प्रकार एक इलेक्ट्रॉन प्रकाश स्पंद से ऊर्जा को अवशोषित करता है और उच्च ऊर्जा अवस्था (फोटोआयनाइजेशन) में चला जाता है, उसी प्रकार यह ऊर्जा को प्रकाश (फोटो उत्सर्जन) के रूप में भी जारी कर सकता है और एक परमाणु (फोटोरेकॉम्बिनेशन) से जुड़ सकता है। 2014 में, एगोस्टिनी ने गैसीय आर्गन में इलेक्ट्रॉनों के फोटो उत्सर्जन और फोटो पुनर्संयोजन समय को मापा। माप के दौरान उन्होंने जो अंतर्निहित धारणा बनाई वह यह थी कि फोटोआयनाइजेशन केवल फोटोपुनर्संयोजन की एक समय-उलट प्रक्रिया है। मौजूदा सैद्धांतिक विधियाँ इन प्रयोगों में देखे गए परिणाम को केवल आंशिक रूप से समझा सकती हैं। प्रोफेसर दीक्षित का 2015 का अध्ययन आर्गन में फोटोरीकॉम्बिनेशन के प्रयोगात्मक डेटा को सफलतापूर्वक पुन: पेश कर सकता है और यह स्थापित कर सकता है कि फोटोआयनाइजेशन और फोटोरीकॉम्बिनेशन एक ही प्रक्रिया है जो समय के साथ उलट जाती है।

प्रोफेसर दीक्षित बताते हैं, "अगोस्टिनी के प्रयोग की वैधता की पुष्टि करने से एटोसेकंड समुदाय को विश्वास मिला कि फोटोआयनाइजेशन और फोटोरीकॉम्बिनेशन में सीमित समय की देरी मापने योग्य प्रक्रियाएं हैं।"

परमाणु प्रक्रियाओं के चित्र और वीडियो कैप्चर करना

उपपरमाण्विक घटनाओं की छवि के लिए एटोसेकंड पल्स का उपयोग करते समय, शोधकर्ता 'पंप-जांच' तकनीक का उपयोग करते हैं। एटोसेकंड पल्स उत्पादन प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रॉनों को ऊर्जा प्रदान करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रकाश की पल्स को 'पंप' पल्स कहा जाता है। इसके बाद शोधकर्ता जिन परमाणुओं का अध्ययन करना चाहते हैं, उनके इलेक्ट्रॉनों द्वारा छोड़े गए प्रकाश से बने पैटर्न को पढ़ने के लिए प्रकाश की एक और पल्स का उपयोग करते हैं, जिसे 'प्रोब' पल्स कहा जाता है। फिर वे प्रयोग से संबंधित घटनाओं और परिघटनाओं के बारे में जानकारी इकट्ठा करने के लिए इस पैटर्न की व्याख्या करते हैं।

“एटोसेकंड पंप-जांच प्रयोग समय या आवृत्ति में एक इलेक्ट्रॉन की गति के बारे में जानकारी देते हैं। हालाँकि, शोधकर्ता इलेक्ट्रॉनिक गति की पूरी फिल्म को तीन आयामों (वास्तविक-अंतरिक्ष) और वास्तविक समय में देखने का सपना देखते हैं। एक्स-रे हमें ठोस पदार्थों के अंदर देखने में मदद कर सकते हैं क्योंकि वे सतहों को भेद सकते हैं। समय-समाधान एक्स-रे विवर्तन एक बहुमुखी दृष्टिकोण है जो हमें समय के साथ परिवर्तनों का निरीक्षण करने में मदद करता है। यह एक फिल्म को संभव बनाता है, ” प्रोफेसर दीक्षित टिप्पणी करते हैं।

हालाँकि, एक्स-रे विकृतियाँ लाते हैं क्योंकि वे इलेक्ट्रॉनों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं और फिल्म को गलत बनाते हैं। प्रोफेसर दीक्षित के काम ने इस विकृति की भरपाई के लिए एक विधि पेश की और कैप्चर की गई छवियों को संसाधित करके इलेक्ट्रॉनिक आंदोलन का एक अधिक सटीक और साफ वीडियो संकलित किया जा सकता है।

प्रोफेसर दीक्षित ने उत्पन्न एटोसेकंड पल्स के ध्रुवीकरण स्थिति (प्रसार की दिशा के संबंध में विद्युत और चुंबकीय दोलनों का अभिविन्यास) की भविष्यवाणी करने के लिए एक विधि भी स्थापित की। पंप पल्स की ध्रुवीकरण स्थिति को जानना, चित्रित की जा रही वस्तुओं के बारे में विशिष्ट चीजों को खोजने के लिए उपयोगी है - उदाहरण के लिए, यह पता लगाना कि क्या किसी अणु के अंदर बाएं हाथ या दाएं हाथ के परमाणुओं की व्यवस्था है। कुछ अणुओं (जिन्हें चिरल अणु कहा जाता है) में उन्हें बनाने वाले परमाणु दो अलग-अलग तरीकों से व्यवस्थित हो सकते हैं। हमारे बाएँ और दाएँ हाथों की तरह, एक व्यवस्था की दर्पण छवि को दूसरी व्यवस्था पर आरोपित नहीं किया जा सकता है। सटीक व्यवस्था को जानना महत्वपूर्ण है क्योंकि जहां एक बहुत उपयोगी हो सकता है, जैसे कि औषधीय दवा, वहीं दूसरा सबसे अच्छा अप्रभावी और सबसे खराब रूप से विषाक्त हो सकता है।

एक अन्य कार्य में, प्रोफेसर दीक्षित और टीम ने पंप-जांच तकनीक का उपयोग यह देखने के लिए किया कि अणुओं में इलेक्ट्रॉनों की गति को देखने में मदद करने के लिए एक अणु के अंदर विद्युत आवेश कैसे वितरित किया जाता है। यह खोज यह समझने में मदद कर सकती है कि जटिल रासायनिक प्रतिक्रियाएं होने पर इलेक्ट्रॉनों का आदान-प्रदान कैसे होता है।

प्रोफ़ेसर दीक्षित के हालिया अध्ययनों में से एक उन यौगिकों में विद्युत आवेश की गति का भी पता लगाता है जिनके अणुओं में पाँच-सदस्यीय वलय होते हैं जिनमें कार्बन और अन्य तत्व होते हैं।

एटोसेकंड पल्स स्रोतों में सुधार

एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करने की प्रारंभिक विधियों में गैसों का उपयोग किया जाता था और इसमें भारी और महंगे उपकरण और जटिल विधियाँ शामिल थीं। एटोसेकंड दालों का उपयोग करने के लिए दालों की अवधि, आवृत्ति और ध्रुवीकरण पर अधिक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। प्रकाश स्रोतों को पोर्टेबल और उपयोग में आसान होना भी आवश्यक है।

प्रोफेसर दीक्षित की टीम ठोस पदार्थों का उपयोग करके एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करने की योजना पर काम कर रही है। “ठोस पदार्थों का उपयोग करके एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करना एटोसेकंड भौतिकी और फोटोनिक्स के लिए एक गेम चेंजर है क्योंकि सेटअप कॉम्पैक्ट होगा और तीव्र एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करेगा। भविष्य में, किसी विक्रेता से कॉम्पैक्ट एटोसेकंड लेजर जनरेटर खरीदना संभव हो सकता है, जैसे अभी अन्य लेजर स्रोत खरीदना संभव है, ”प्रोफेसर दीक्षित को उम्मीद है।

साथ ही, उन्होंने एक सिद्धांत प्रस्तुत किया है जो प्रकाश के इच्छित ध्रुवीकरण के साथ पल्स उत्पन्न करने में सक्षम हो सकता है।

एटोसेकंड-संचालित क्वांटम प्रौद्योगिकी

भले ही कंप्यूटर तेज़ और तेज़ होते जा रहे हैं, कंप्यूटिंग में प्रत्येक चरण जिस गति से होता है - जिसे घड़ी की गति कहा जाता है - वह एक सीमा तक पहुंच गई है। क्वांटम कंप्यूटिंग को एक ऐसी तकनीक माना जाता है जो गति सीमाओं को पार कर सकती है और गणना गति में कई गुना वृद्धि प्रदान कर सकती है।

प्रोफेसर दीक्षित की टीम के एक सैद्धांतिक अध्ययन ने स्थापित किया है कि स्पिन नामक इलेक्ट्रॉनों की एक संपत्ति, जो 'ऊपर' या 'नीचे' हो सकती है, का उपयोग संभावित रूप से बहुत उच्च आवृत्ति दोलन उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है जिसे कंप्यूटर के लिए घड़ी के रूप में उपयोग किया जा सकता है। जिस तरह सिलिकॉन में नियंत्रित अशुद्धियों को शामिल करने से जटिल और उच्च गति वाले इलेक्ट्रॉनिक सर्किट संभव हो गए, उसी तरह विशिष्ट सामग्रियों में विशिष्ट दोष पेश करने से सामग्री के स्पिन में बदलाव आ सकता है। जब ऐसी सामग्रियों पर प्रकाश डाला जाता है, तो इलेक्ट्रॉन मूल प्रकाश की तुलना में बहुत अधिक आवृत्तियों पर दोलन उत्पन्न करते हैं। “पहली बार, हमने दिखाया है कि इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग उन आवृत्तियों पर उनके दोलनों को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है जो वर्तमान आवृत्तियों से बहुत अधिक हैं। प्रोफ़ेसर दीक्षित कहते हैं, ''यह सावधानी से ख़राब सामग्री पर लेजर पल्स को चमकाकर प्रोसेसर की घड़ी की गति को कम से कम एक हजार गुना बेहतर बनाने में मदद कर सकता है।''

उनके समूह का एक और हालिया शोध इलेक्ट्रॉनों की एक अन्य संपत्ति का पता लगाने और उसे नियंत्रित करने के लिए एक ऑप्टिकल विधि की खोज करता है, जिसे वैली स्टेट्स कहा जाता है। वैली स्टेट्स का उपयोग क्वांटम कंप्यूटिंग में गणना की इकाइयों या क्वैबिट्स का प्रतिनिधित्व करने के लिए किया जा सकता है। क्वैबिट का तेजी से पता लगाने और नियंत्रण से क्वांटम कंप्यूटिंग की गति को बेहतर बनाने में मदद मिल सकती है।

“किसी भी शोध का अंतिम उद्देश्य मानव जीवन के जीवन स्तर में सुधार करना है। एटोसेकंड भौतिकी रसायनज्ञों को नए अणुओं को डिजाइन करने में मदद कर सकती है, कमरे के तापमान पर टेबलटॉप क्वांटम कंप्यूटिंग को संभव बना सकती है, और प्रारंभिक चरण में कैंसर का पता लगाने में मदद कर सकती है, ”प्रोफेसर दीक्षित ने निष्कर्ष निकाला।

संकाय
प्रोफेसर गोपाल दीक्षित

प्रकाशित कार्य का URL
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.203003