लगभग एक सदी पहले, भौतिक विज्ञानी मैक्स बॉर्न और जे. रॉबर्ट ओपेनहाइमर ने एक परिकल्पना प्रस्तावित की थी कि क्वांटम यांत्रिकी अणुओं में कैसे काम करती है। ये अणु परमाणु नाभिक और इलेक्ट्रॉनों की जटिल प्रणालियों से बने होते हैं। बोर्न-ओपेनहाइमर सन्निकटन मानता है कि एक अणु के भीतर नाभिक और इलेक्ट्रॉनों की गति स्वतंत्र रूप से होती है और उन्हें अलग से माना जा सकता है।
यह मॉडल अधिकांश मामलों में काम करता है, लेकिन वैज्ञानिक इसकी सीमाओं का परीक्षण कर रहे हैं। हाल ही में, वैज्ञानिकों की एक टीम ने प्रदर्शित किया कि यह धारणा अत्यंत तेज़ समय के पैमाने पर टूट गई है, जिससे परमाणु नाभिक और इलेक्ट्रॉनों की गतिशीलता के बीच घनिष्ठ संबंध का पता चलता है। यह खोज सौर ऊर्जा रूपांतरण, ऊर्जा उत्पादन, क्वांटम सूचना विज्ञान और अन्य क्षेत्रों में आणविक डिजाइन को प्रभावित कर सकती है।
अनुसंधान दल, जिसमें अमेरिकी ऊर्जा विभाग के आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी, नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी, नॉर्थ कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी और वाशिंगटन विश्वविद्यालय के वैज्ञानिक शामिल हैं, ने हाल ही में नेचर और एंजवेन्टे केमी इंटरनेशनल संस्करण में दो संबंधित पत्र प्रकाशित किए हैं।
नेचर पेपर के पहले लेखक और नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी के एक सहयोगी शोधकर्ता शाहनवाज रफीक ने कहा, "हमारा काम अल्ट्राफास्ट टाइम स्केल पर अणुओं में इलेक्ट्रॉन स्पिन गतिशीलता और परमाणु नाभिक कंपन गतिशीलता की परस्पर क्रिया को प्रकट करता है।" "इन गुणों का स्वतंत्र रूप से इलाज नहीं किया जा सकता है - वे जटिल तरीकों से इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को प्रभावित करने के लिए एक साथ मिश्रित होते हैं।"
जब किसी अणु के भीतर नाभिक की गति में परिवर्तन इलेक्ट्रॉनों की गति को प्रभावित करता है, तो स्पिन-कंपन प्रभाव नामक एक घटना होती है। जब किसी अणु के भीतर के नाभिक अपनी अंतर्निहित ऊर्जा या प्रकाश जैसी बाहरी उत्तेजनाओं के कारण कंपन करते हैं, तो ये कंपन उनके इलेक्ट्रॉनों की गति को प्रभावित करते हैं, जिससे अणु की स्पिन बदल जाती है, जो चुंबकत्व से संबंधित एक क्वांटम यांत्रिक गुण है।
इंटरसिस्टम क्रॉसओवर नामक प्रक्रिया में, एक उत्तेजित अणु या परमाणु अपने इलेक्ट्रॉन स्पिन की दिशा को फ़्लिप करके अपनी इलेक्ट्रॉनिक स्थिति को बदलता है। इंटरसिस्टम क्रॉसओवर कई रासायनिक प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जिसमें फोटोवोल्टिक उपकरण, फोटोकैटलिसिस और यहां तक कि बायोल्यूमिनसेंट जानवर भी शामिल हैं। इस क्रॉसओवर को प्राप्त करने के लिए, प्रासंगिक इलेक्ट्रॉनिक राज्यों के बीच विशिष्ट परिस्थितियों और ऊर्जा अंतर की आवश्यकता होती है।
1960 के दशक से, वैज्ञानिकों ने सिद्धांत दिया है कि स्पिन-कंपन प्रभाव सिस्टम के बीच क्रॉसओवर में भूमिका निभा सकते हैं, लेकिन घटना का प्रत्यक्ष अवलोकन चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है क्योंकि इसमें बेहद तेज़ समय के पैमाने पर इलेक्ट्रॉनिक, कंपन और स्पिन राज्यों में परिवर्तन को मापना शामिल है।
"हमने वास्तविक समय में नाभिक और इलेक्ट्रॉनों की गति को ट्रैक करने के लिए अल्ट्राशॉर्ट लेजर दालों का उपयोग किया - सात फेमटोसेकंड या एक सेकंड के सात अरबवें हिस्से तक - यह दिखाते हुए कि कैसे स्पिन-कंपन प्रभाव सिस्टम के बीच क्रॉसओवर को संचालित करते हैं," नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी में रसायन विज्ञान के प्रोफेसर और आर्गन के प्रतिष्ठित फेलो लिन चेन और दोनों अध्ययनों के सह-संबंधित लेखक ने कहा।
स्पिन-कंपन प्रभावों और प्रणालियों के बीच क्रॉसओवर के बीच परस्पर क्रिया को समझने से अणुओं के इलेक्ट्रॉनिक और स्पिन गुणों को नियंत्रित करने और उनका दोहन करने के नए तरीके खोजना संभव हो सकता है।
शोध दल ने नॉर्थ कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर और दोनों अध्ययनों के सह-संबद्ध लेखक फेलिक्स कैस्टेलानो द्वारा डिजाइन की गई चार अद्वितीय आणविक प्रणालियों का अध्ययन किया। प्रत्येक प्रणाली अन्य प्रणालियों के समान होती है, लेकिन उनकी संरचना में ज्ञात अंतर होते हैं जिन्हें नियंत्रित किया जा सकता है। इससे अनुसंधान टीम को दोनों प्रणालियों के बीच संबंधों की अधिक संपूर्ण समझ हासिल करने के लिए प्रणालियों के बीच थोड़े अलग क्रॉस-ओवर प्रभावों और कंपन संबंधी गतिशीलता का फायदा उठाने की अनुमति मिली।
कैस्टेलानो ने कहा, "इन प्रणालियों में हमारे द्वारा किए गए ज्यामितीय परिवर्तनों के कारण परस्पर क्रिया करने वाली इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजित अवस्थाओं के बीच क्रॉसओवर बिंदु अलग-अलग ऊर्जाओं और स्थितियों में थोड़ा अलग ढंग से बदलता है। यह इस क्रॉसओवर को बढ़ाने के लिए सामग्रियों को ट्यूनिंग और डिजाइन करने के लिए निहितार्थ प्रदान करता है।"
कंपन गति से प्रेरित, अणुओं में स्पिन-कंपन प्रभाव अणु के अंदर ऊर्जा वितरण को बदलता है और प्रणालियों के बीच क्रॉसओवर की संभावना और दर को बढ़ाता है। टीम ने प्रमुख मध्यवर्ती इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं की भी खोज की जो स्पिन ऑसिलेटर प्रभाव के संचालन से अविभाज्य हैं।
वाशिंगटन विश्वविद्यालय में रसायन विज्ञान के प्रोफेसर और ऊर्जा विभाग के प्रशांत नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी के एक शोधकर्ता ज़ियाओसॉन्ग ली ने क्वांटम गतिशीलता गणना के माध्यम से इन परिणामों की भविष्यवाणी की और उनका समर्थन किया। "इन प्रयोगों ने वास्तविक समय में बहुत स्पष्ट और सुंदर रासायनिक प्रतिक्रियाएं दिखाईं, जो हमारी भविष्यवाणियों से मेल खाती हैं," एंजवेन्टे केमी के अंतर्राष्ट्रीय संस्करण में प्रकाशित अध्ययन के लेखकों में से एक ली जियाओसॉन्ग ने कहा।
प्रयोगों से सामने आई अंतर्दृष्टि इस शक्तिशाली क्वांटम यांत्रिक संबंध का उपयोग करके अणुओं को डिजाइन करने में एक कदम आगे का प्रतिनिधित्व करती है। यह विशेष रूप से सौर कोशिकाओं, बेहतर इलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले और यहां तक कि चिकित्सा उपचारों के लिए उपयोगी हो सकता है जो प्रकाश-पदार्थ की बातचीत पर निर्भर करते हैं।