भौतिकी में 2023 का नोबेल पुरस्कार एटोसेकंड प्रकाश दालों का उपयोग करके उनके काम के लिए तीन शोधकर्ताओं को मान्यता देता है, जिसने इलेक्ट्रॉनों की तीव्र गति के अध्ययन में क्रांति ला दी है और भौतिकी और रसायन विज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों में समझ को व्यापक बनाया है। तीन शोधकर्ताओं की एक टीम ने उस काम के लिए भौतिकी में 2023 का नोबेल पुरस्कार जीता है जिसने वैज्ञानिकों के इलेक्ट्रॉनों के अध्ययन के तरीके में क्रांति ला दी है - एटोसेकंड-लंबी चमक के साथ अणुओं को रोशन करना। लेकिन एक एटोसेकंड कितना लंबा होता है, और ये बेहद छोटी पल्स शोधकर्ताओं को पदार्थ के गुणों के बारे में क्या बता सकती हैं?
मुझे अनुसंधान के इस क्षेत्र के बारे में पहली बार तब पता चला जब मैं भौतिक रसायन विज्ञान में स्नातक छात्र था। मेरे डॉक्टरेट पर्यवेक्षक के अनुसंधान समूह के पास एक परियोजना है जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एटोसेकंड दालों का उपयोग करती है। इससे पहले कि हम समझें कि एटोसेकंड अनुसंधान ने विज्ञान में सबसे प्रतिष्ठित पुरस्कार क्यों जीता है, आइए पहले समझें कि एटोसेकंड स्पंदित प्रकाश क्या है।
एक एटोसेकंड कितना लंबा होता है?
"एटो" वैज्ञानिक संकेतन के लिए उपसर्ग है, जो 10-18 का प्रतिनिधित्व करता है, यानी एक दशमलव बिंदु जिसके बाद 17 शून्य और एक होता है। इसलिए, एक एटोसेकंड, या 0.0000000000001 सेकंड तक चलने वाला फ्लैश, प्रकाश की एक बेहद छोटी पल्स है। वास्तव में, एक सेकंड में एटोसेकंड की संख्या ब्रह्मांड की आयु में सेकंड की संख्या के बराबर होती है।
पहले, वैज्ञानिक फेमटोसेकंड (10-15) प्रकाश स्पंदों का उपयोग करके भारी, धीमी गति से चलने वाले नाभिक की गति का अध्ययन कर सकते थे। एक हजार एटोसेकंड एक फेमटोसेकंड के बराबर होता है। लेकिन जब तक एटोसेकंड प्रकाश स्पंद उत्पन्न नहीं हो जाते, तब तक शोधकर्ता इलेक्ट्रॉन पैमाने पर गति नहीं देख सकते हैं - इलेक्ट्रॉन इतनी तेजी से चलते हैं कि वैज्ञानिकों के लिए फेमटोसेकंड स्तर पर उनकी गति को सटीक रूप से हल करना संभव नहीं होता है।
एटोसेकंड पल्स
परमाणुओं और अणुओं में इलेक्ट्रॉनों की पुनर्व्यवस्था भौतिकी में कई प्रक्रियाओं का मार्गदर्शन करती है और वास्तव में रसायन विज्ञान के हर हिस्से का आधार है। इसलिए शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने में बहुत प्रयास किया कि इलेक्ट्रॉन कैसे चलते और पुनर्व्यवस्थित होते हैं।
हालाँकि, भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं के दौरान इलेक्ट्रॉन बहुत तेज़ी से आगे बढ़ते हैं, जिससे उनका अध्ययन करना मुश्किल हो जाता है। इन प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए, वैज्ञानिक स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करते हैं, यह अध्ययन करने की एक विधि है कि पदार्थ प्रकाश को कैसे अवशोषित या उत्सर्जित करता है। वास्तविक समय में इलेक्ट्रॉनों को ट्रैक करने के लिए, शोधकर्ताओं को प्रकाश की एक पल्स की आवश्यकता होती है जो इलेक्ट्रॉनों को पुनर्व्यवस्थित करने में लगने वाले समय से कम हो।
सादृश्य के रूप में, एक ऐसे कैमरे की कल्पना करें जो केवल लंबा एक्सपोज़र (लगभग 1 सेकंड) ले सकता है। गतिमान वस्तुएँ, जैसे कैमरे की ओर दौड़ते लोग या आकाश में उड़ते हुए पक्षी, ली गई तस्वीरों में धुंधली दिखाई देंगी, जिससे यह देखना मुश्किल हो जाएगा कि क्या हो रहा है। फिर, 1 मिलीसेकंड एक्सपोज़र का उपयोग करने वाले कैमरे की कल्पना करें। अब, जो गति पहले अस्पष्ट थी, उसे स्पष्ट और सटीक स्नैपशॉट में अच्छी तरह से हल किया जाएगा। इस प्रकार फेमटोसेकंड स्केल के बजाय एटोसेकंड स्केल का उपयोग इलेक्ट्रॉन व्यवहार पर प्रकाश डालता है।
एटोसेकंड अनुसंधान
तो एटोसेकंड पल्स किन शोध प्रश्नों के उत्तर देने में मदद कर सकते हैं?
सबसे पहले, रासायनिक बंधनों का टूटना प्रकृति में एक मौलिक प्रक्रिया है जिसमें दो परमाणुओं के बीच साझा किए गए इलेक्ट्रॉन अनबाउंड परमाणुओं में अलग हो जाते हैं। इस प्रक्रिया के दौरान, पहले से साझा किए गए इलेक्ट्रॉन अल्ट्राफास्ट परिवर्तनों से गुजरते हैं, और एटोसेकंड पल्स शोधकर्ताओं के लिए वास्तविक समय में रासायनिक बंधनों के टूटने को ट्रैक करना संभव बनाते हैं।
एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करने की क्षमता - जिस काम के लिए तीन शोधकर्ताओं को भौतिकी में 2023 नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था - पहली बार 2000 के दशक की शुरुआत में संभव हुआ, और तब से इस क्षेत्र का तेजी से विकास जारी है। परमाणुओं और अणुओं के छोटे स्नैपशॉट प्रदान करके, एटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी शोधकर्ताओं को एकल अणुओं में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को समझने में मदद करती है, जैसे कि इलेक्ट्रॉन चार्ज कैसे स्थानांतरित होते हैं और परमाणुओं के बीच रासायनिक बंधन कैसे टूटते हैं।
बड़े पैमाने पर, एटोसेकंड तकनीकों का उपयोग तरल पानी में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार और ठोस-अवस्था अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण का अध्ययन करने के लिए भी किया जाता है। जैसे-जैसे शोधकर्ता प्रकाश के एटोसेकंड पल्स उत्पन्न करने की अपनी क्षमता में सुधार करना जारी रखते हैं, वे पदार्थ बनाने वाले मूलभूत कणों की गहरी समझ हासिल करेंगे।
लेखक: आरोन डब्ल्यू. हैरिसन, ऑस्टिन कॉलेज में रसायन विज्ञान के सहायक प्रोफेसर।