भारतीय फ्लेवर्स ऑफ अॅटोसेकंड फिजिक

 भौतिकशास्त्रातील 2023 चा नोबेल पारितोषिक जिंकणाऱ्या IIT बॉम्बेच्या संशोधकाचे योगदान

आम्‍ही मानवांनी अद्‍भुत जगाचा शोध लावला, जेव्हा आम्‍हाला सर्वात लहान पेक्षा लहान वस्तू आणि वेगवान घटनांपेक्षा अधिक वेगाने घडणार्‍या घटना पाहता येतात. ब्रह्मांड एक अब्ज अब्ज वर्षे अस्तित्वात आहे असे म्हंटले जात असताना, तुम्ही त्या अनेक भागांमध्ये एक सेकंद विभाजित करता तेव्हा त्या कालावधीत काय घडत असावे असे तुम्हाला वाटते? एका सेकंदाच्या अब्जावधी अब्जावा भागाला अ‍ॅटोसेकंद म्हणतात, आणि मानव आता फक्त काही दहा अ‍ॅटोसेकंद लांब प्रकाशाची चमक निर्माण करू शकतो. अ‍ॅन ल’हुलियर, पियरे अगोस्टिनी आणि फेरेंक क्रॉझ यांना त्यांच्या अग्रगण्य कार्यासाठी 2023 चा भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक प्रदान करण्यात आले ज्याने प्रकाशाच्या अ‍ॅटोसेकंद-लांब चमकणे शक्य केले.

इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी बॉम्बेचे भौतिकशास्त्रज्ञ प्रा गोपाल दीक्षित हे अॅटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्रात सक्रियपणे योगदान देत आहेत हे जाणून घेणे आनंददायक आहे. “मला खात्री होती की एटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्राला लवकरच नोबेल पारितोषिक दिले जाईल. हा निसर्गातील एक मूलभूत विषय आहे तसेच आगामी क्वांटम तंत्रज्ञानामध्ये मोठी झेप घेण्याची प्रचंड क्षमता आहे,” तो म्हणतो. प्रो. दीक्षित आणि त्यांची टीम अॅटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या अनेक सैद्धांतिक पैलूंवर आणि अनुप्रयोगांवर काम करत आहे. नोबेल पारितोषिक विजेते, त्यांचे कार्यसंघ आणि इतर संशोधक ज्या समस्यांचे निराकरण करण्याचे उद्दिष्ट ठेवत आहेत त्यातील काही समस्या सोडविण्यात ते मदत करत आहेत.

अ‍ॅटोसेकंद डाळी: ते कसे तयार करावे आणि ते काय करू शकतात

1990 च्या दशकात, अॅन ल'ह्युलियरने प्रकाशाचे लहान स्फोट तयार करण्यासाठी एक मार्ग तयार केला ज्यामध्ये फक्त काही दोलन आहेत आणि काही शंभर अॅटोसेकंद लांब आहेत. तिने लेसर बीमसह निऑनसारख्या उदात्त वायूच्या अणूंवर भडिमार केली. जेव्हा लेझर प्रकाश अणूवर आदळतो, तेव्हा तो उदात्त वायूमधील अणूंच्या इलेक्ट्रॉनांना ऊर्जा देतो. इलेक्ट्रॉन ऊर्जा शोषून घेतात आणि नंतर मूळ प्रकाशाच्या दोलनांपेक्षा कितीतरी पटीने जास्त वेगाने दोलनांसह प्रकाश म्हणून सोडतात. अणूंमधून दोलन आच्छादित करण्याचे मार्ग काळजीपूर्वक डिझाइन करून, ती अणू सेकंद लांब डाळी तयार करू शकते. या संशोधनाद्वारे उघड झालेल्या माहितीचा फायदा घेत, 2001 मध्ये, पियरे अगोस्टिनी यांनी अत्यंत लहान डाळींची ट्रेन तयार करण्याचे तंत्र विकसित केले, प्रत्येक नाडी केवळ 250 अॅटोसेकंद लांब. स्वतंत्रपणे, Ferenc Krausz 650 attoseconds ची एकच नाडी निर्माण करू शकतो.

इतक्या लहान प्रकाशाची नाडी निर्माण करण्याच्या क्षमतेने अनेक शक्यता उघडल्या, एक महत्त्वाची गोष्ट म्हणजे इलेक्ट्रॉन पदार्थात कसे वागतात आणि हलतात याचे निरीक्षण करणे. आईन्स्टाईनने भाकीत केले होते की जेव्हा अणू प्रकाशावर आदळतो तेव्हा त्या अणूतील एक इलेक्ट्रॉन मुक्त होतो (फोटोआयनायझेशन). असे मानले जात होते की जेव्हा इलेक्ट्रॉन प्रकाशातून ऊर्जा शोषून घेतो तेव्हा लगेच मुक्त होतो. 2010 मध्ये, अॅटोसेकंद पल्स आता शक्य असल्याने, क्रॉझने निऑन अणूपासून इलेक्ट्रॉनला बाहेर पडण्यासाठी लागणारा वेळ पाहिला आणि मोजला. त्याला आढळून आले की घटना केवळ तात्कालिक नाही - इलेक्ट्रॉन काही अ‍ॅटोसेकंदांनी निसटतो - परंतु त्यासाठी लागणारा वेळ देखील इलेक्ट्रॉनच्या सुरुवातीच्या उर्जेवर अवलंबून असतो. L'Huillier ने 2011-2012 मध्ये आर्गॉनचा प्रयोग पुन्हा केला.

प्रायोगिक परिणामांसह जुळणारे सिद्धांत

प्रयोग पार पाडल्यानंतर काही काळ, भौतिकशास्त्रज्ञ सैद्धांतिक मॉडेल्समध्ये डेटा पॉइंट्सचे पुनरुत्पादन करण्यास आणि प्रायोगिक परिणामांशी जुळवून घेण्यास सक्षम नव्हते. प्रो. दीक्षित आणि टीमने 2013 मध्ये एक सैद्धांतिक पद्धत प्रस्तावित केली जी L'Huillier च्या प्रयोगातील तीन पैकी दोन डेटा पॉइंट्सशी जुळू शकते, भौतिकशास्त्रज्ञांना विश्वास दिला की प्रयोग योग्य आहेत आणि सिद्धांताशी सहमत आहेत.

ज्याप्रमाणे एक इलेक्ट्रॉन प्रकाशाच्या नाडीतून ऊर्जा शोषून घेतो आणि उच्च ऊर्जा अवस्थेकडे (फोटोआयनायझेशन) जातो, त्याचप्रमाणे ते प्रकाशाच्या स्वरूपात (फोटोइमिशन) ऊर्जा देखील सोडू शकते आणि अणूशी संलग्न होऊ शकते (फोटोरिकॉम्बिनेशन). 2014 मध्ये, अॅगोस्टिनीने वायूयुक्त आर्गॉनमध्ये इलेक्ट्रॉनचे फोटो उत्सर्जन आणि फोटोरिकॉम्बिनेशन वेळा मोजले. मोजमाप करताना त्याने एक अंतर्निहित गृहीत धरले होते की फोटोआयनायझेशन ही केवळ फोटोरिकॉम्बिनेशनची वेळ-उलट प्रक्रिया आहे. विद्यमान सैद्धांतिक पद्धती या प्रयोगांमध्ये दिसणारे परिणाम केवळ अंशतः स्पष्ट करू शकतात. प्रो. दीक्षित यांच्या 2015 च्या अभ्यासामुळे आर्गॉनमध्ये फोटोरिकॉम्बिनेशनचा प्रायोगिक डेटा यशस्वीरित्या पुनरुत्पादित केला जाऊ शकतो आणि हे सिद्ध केले की फोटोआयनीकरण आणि फोटोरिकॉम्बिनेशन ही प्रक्रिया वेळेत उलट केली जाते.

"अॅगोस्टिनीच्या प्रयोगाच्या वैधतेची पुष्टी केल्याने अ‍ॅटोसेकंद समुदायाला आत्मविश्वास मिळाला की फोटोआयनीकरण आणि फोटोरिकॉम्बिनेशनमध्ये मर्यादित वेळ विलंब या मोजता येण्याजोग्या प्रक्रिया आहेत," प्रा दीक्षित स्पष्ट करतात.

अणु प्रक्रियेची चित्रे आणि व्हिडिओ कॅप्चर करणे

अ‍ॅटोसेकंद कडधान्ये वापरून उपअणू घटनांची प्रतिमा तयार करताना, संशोधक 'पंप-प्रोब' तंत्र वापरतात. अॅटोसेकंद पल्स निर्मिती प्रक्रियेदरम्यान इलेक्ट्रॉनला ऊर्जा देण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या प्रकाशाच्या नाडीला ‘पंप’ नाडी म्हणतात. संशोधक नंतर प्रकाशाची दुसरी नाडी वापरतात ज्याला ‘प्रोब’ पल्स म्हणतात ज्याचा त्यांना अभ्यास करायचा आहे अशा अणूंच्या इलेक्ट्रॉन्सद्वारे सोडलेल्या प्रकाशामुळे तयार झालेला नमुना वाचण्यासाठी. त्यानंतर प्रयोगाशी संबंधित घटना आणि घटनांबद्दल माहिती गोळा करण्यासाठी ते या पॅटर्नचा अर्थ लावतात.

"अॅटोसेकंद पंप-प्रोब प्रयोग वेळ किंवा वारंवारता मध्ये इलेक्ट्रॉनच्या गतीबद्दल माहिती देतात. तथापि, संशोधकांचे स्वप्न आहे की इलेक्ट्रॉनिक गतीचा संपूर्ण चित्रपट तीन आयामांमध्ये (रिअल-स्पेस) आणि रिअल-टाइममध्ये पाहणे. क्ष-किरण आपल्याला घन पदार्थांच्या आत पाहण्यास मदत करू शकतात कारण ते पृष्ठभागांमध्ये प्रवेश करू शकतात. वेळेनुसार निराकरण केलेले क्ष-किरण विवर्तन हा एक बहुमुखी दृष्टीकोन आहे जो आपल्याला वेळेनुसार बदल पाहण्यास मदत करतो. त्यामुळे चित्रपट शक्य होतो,” प्रो. दीक्षित टिप्पणी करतात.

तथापि, क्ष-किरण विकृती आणतात कारण ते इलेक्ट्रॉनांशी संवाद साधतात आणि चित्रपट चुकीचा बनवतात. प्रो. दीक्षित यांच्या कार्याने या विकृतीची भरपाई करण्यासाठी एक पद्धत सुरू केली आणि कॅप्चर केलेल्या प्रतिमांवर प्रक्रिया करून इलेक्ट्रॉनिक हालचालींचा अधिक अचूक आणि स्वच्छ व्हिडिओ संकलित केला जाऊ शकतो.

प्रो. दीक्षित यांनी व्युत्पन्न केलेल्या अॅटोसेकंद नाडीच्या ध्रुवीकरण स्थितीचा (विद्युत आणि चुंबकीय दोलनांचे अभिमुखता प्रसाराच्या दिशेने) अंदाज लावण्याची पद्धत देखील स्थापित केली. पंप पल्सची ध्रुवीकरण स्थिती जाणून घेणे हे चित्रित केलेल्या वस्तूंबद्दल विशिष्ट गोष्टी शोधण्यासाठी उपयुक्त आहे - उदाहरणार्थ, रेणूमध्ये डाव्या हाताने किंवा उजव्या हाताने अणूंची व्यवस्था आहे का हे शोधणे. काही रेणूंमध्ये (ज्याला चिरल रेणू म्हणतात) अणूंची रचना दोन वेगवेगळ्या प्रकारे केली जाऊ शकते. आपल्या डाव्या आणि उजव्या हातांप्रमाणेच एका व्यवस्थेची आरशातील प्रतिमा दुसऱ्या व्यवस्थेवर अधिरोपित केली जाऊ शकत नाही. नेमकी मांडणी जाणून घेणे महत्त्वाचे आहे कारण एक औषधी औषधासारखे खूप उपयोगी असू शकते, तर दुसरे सर्वोत्तम कुचकामी आणि सर्वात वाईट विषारी असू शकते.

दुसर्‍या एका कामात, प्रा. दीक्षित आणि टीमने पंप-प्रोब तंत्राचा वापर करून रेणूंमध्ये इलेक्ट्रॉन्सची हालचाल व्हिज्युअलाइज करण्यासाठी रेणूच्या आत इलेक्ट्रिक चार्ज कसा वितरित केला जातो हे पाहावे. जेव्हा जटिल रासायनिक अभिक्रिया होतात तेव्हा इलेक्ट्रॉन्सची देवाणघेवाण कशी होते हे शोधण्यात मदत होते.

प्रो. दीक्षित यांच्या अलीकडील अभ्यासांपैकी एक संयुगांमध्ये विद्युत चार्ज हालचाली देखील शोधतो ज्यांच्या रेणूंमध्ये कार्बन आणि इतर घटक असतात अशा पाच-सदस्यीय रिंग असतात.

Attosecond नाडी स्रोत सुधारणे

अ‍ॅटोसेकंद कडधान्ये निर्माण करण्याच्या सुरुवातीच्या पद्धतींमध्ये वायूंचा वापर केला गेला आणि त्यात अवजड आणि महागड्या उपकरणे आणि जटिल पद्धतींचा समावेश होता. अ‍ॅटोसेकंद डाळी वापरण्यासाठी डाळींचा कालावधी, वारंवारता आणि ध्रुवीकरण यावर अधिक नियंत्रण आवश्यक आहे. प्रकाश स्रोत देखील पोर्टेबल आणि वापरण्यास सुलभ असणे आवश्यक आहे.

प्रो. दीक्षित यांची टीम घन पदार्थांचा वापर करून अ‍ॅटोसेकंद डाळी निर्माण करण्याच्या योजनांवर काम करत आहे. “घन पदार्थ वापरून अ‍ॅटोसेकंद कडधान्ये निर्माण करणे हे अ‍ॅटोसेकंद भौतिकशास्त्र आणि फोटोनिक्ससाठी गेम चेंजर आहे कारण सेटअप कॉम्पॅक्ट असेल आणि तीव्र अ‍ॅटोसेकंद डाळी निर्माण करेल. भविष्यात, एखाद्या विक्रेत्याकडून कॉम्पॅक्ट अ‍ॅटोसेकंद लेसर जनरेटर विकत घेणे शक्य होईल, जसे आत्ताच इतर लेझर स्रोत खरेदी करणे शक्य आहे,” अशी आशा प्रा. दीक्षित यांनी व्यक्त केली.

त्याच वेळी, त्याने एक सिद्धांत मांडला आहे जो प्रकाशाच्या उद्दीष्ट ध्रुवीकरणासह डाळी निर्माण करण्यास सक्षम करू शकतो.

अॅटोसेकंद-चालित क्वांटम तंत्रज्ञान

जरी संगणक वेगवान आणि वेगवान होत चालले आहेत, संगणकाच्या प्रत्येक पायरीवर ज्या गतीने घड्याळाचा वेग म्हटले जाते ती मर्यादा गाठली आहे. क्वांटम संगणन हे एक तंत्रज्ञान मानले जाते जे वेग मर्यादांवर मात करू शकते आणि गणनेच्या गतीमध्ये अनेक पटींनी वाढ देऊ शकते.

प्रो. दीक्षित यांच्या टीमने केलेल्या सैद्धांतिक अभ्यासाने असे सिद्ध केले आहे की स्पिन नावाच्या इलेक्ट्रॉनचा गुणधर्म, जो 'अप' किंवा 'डाऊन' असू शकतो, संगणकासाठी घड्याळ म्हणून वापरता येणारी उच्च-वारंवारता दोलन निर्माण करण्यासाठी संभाव्यपणे वापरला जाऊ शकतो. ज्याप्रमाणे सिलिकॉनमध्ये नियंत्रित अशुद्धता समाविष्ट केल्याने जटिल आणि उच्च-गती इलेक्ट्रॉनिक सर्किट शक्य झाले, त्याचप्रमाणे विशिष्ट सामग्रीमध्ये विशिष्ट दोषांचा परिचय करून सामग्रीच्या स्पिनमध्ये बदल होऊ शकतो. जेव्हा अशा पदार्थांवर प्रकाश पडतो, तेव्हा इलेक्ट्रॉन मूळ प्रकाशापेक्षा जास्त फ्रिक्वेन्सीवर दोलन निर्माण करतात. "प्रथमच, आम्ही दाखवले आहे की इलेक्ट्रॉनच्या स्पिनचा वापर त्यांच्या दोलनांवर नियंत्रण ठेवण्यासाठी केला जाऊ शकतो जे वर्तमान फ्रिक्वेन्सीपेक्षा खूप जास्त आहेत. हे काळजीपूर्वक दोषपूर्ण सामग्रीवर लेसर डाळी चमकवून प्रोसेसरच्या घड्याळाचा वेग कमीत कमी हजार पटीने सुधारण्यास मदत करू शकते,” प्रा दीक्षित म्हणतात.

त्यांच्या गटातील आणखी एका अलीकडील संशोधनात व्हॅली स्टेट्स नावाच्या इलेक्ट्रॉनची दुसरी मालमत्ता शोधण्यासाठी आणि नियंत्रित करण्यासाठी ऑप्टिकल पद्धतीचा शोध घेण्यात आला आहे. व्हॅली राज्ये क्वांटम कंप्युटिंगमधील गणनेची एकके किंवा क्यूबिट्सचे प्रतिनिधित्व करण्यासाठी वापरली जाऊ शकतात. क्वांटम कंप्युटिंगचा वेग सुधारण्यास क्विटचा वेगवान शोध आणि नियंत्रण मदत करू शकते.

“कोणत्याही संशोधनाचे अंतिम उद्दिष्ट मानवी जीवनाचे जीवनमान सुधारणे हे असते. अ‍ॅटोसेकंद भौतिकशास्त्र रसायनशास्त्रज्ञांना नवीन रेणू तयार करण्यास मदत करू शकते, खोलीच्या तापमानावर टेबलटॉप क्वांटम संगणन शक्य करू शकते आणि कर्करोगाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यावर शोधण्यात मदत करू शकते,” प्रा दीक्षित यांनी निष्कर्ष काढला.

विद्याशाखा
प्रा.गोपाल दीक्षित

प्रकाशित कार्याची URL
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.203003