Open-Path Detection of Organic Vapors via Quantum Infrared Spectroscopy

अदृश्य उंगलियों के निशान की खोज

कल्पना कीजिए कि आप एक जासूस हैं जो एक रहस्य को सुलझाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन सुराग नग्न आंखों से अदृश्य हैं। विज्ञान की दुनिया में, जब शोधकर्ता हवा में तैरती विशिष्ट गैसों को सूंघने की कोशिश करते हैं, तो ठीक ऐसा ही होता है। इस क्षेत्र को स्पेक्ट्रोस्कोपी (spectroscopy) कहा जाता है, और यह प्रकाश के लिए एक संगीतमय कान की तरह काम करता है। प्रत्येक गैस अणु का प्रकाश से बना एक अद्वितीय "फिंगरप्रिंट" (उंगलियों का निशान) होता है; जब प्रकाश किसी गैस से होकर गुजरता है, तो गैस प्रकाश की किरण से विशिष्ट रंगों (आवृत्तियों) के छोटे-छोटे अंश चुरा लेती है। बिल्कुल कौन से रंग गायब हुए हैं, इसे मापकर वैज्ञानिक यह पता लगा सकते हैं कि वहां कौन सी गैस मौजूद है और कितनी मात्रा में है।

आमतौर पर, इन अदृश्य सुरागों को पकड़ना कठिन होता है। जिन गैसों की हमें परवाह है, जैसे नेल पॉलिश रिमूवर या हैंड सैनिटाइज़र के वाष्प, वे प्रकाश के स्पेक्ट्रम के एक हिस्से में छिपे होते हैं जिसे "मिड-इन्फ्रारेड" (मध्य-अवरक्त) कहा जाता है। इसे एक गुप्त भाषा के रूप में सोचें जिसे हमारी आंखें नहीं देख सकतीं और हमारे मानक कैमरे आसानी से सुन नहीं सकते। इस भाषा को सुनने के लिए, वैज्ञानिकों को अक्सर विशाल, महंगी मशीनों की आवश्यकता होती है जिन्हें जमा देने वाली ठंड में रखा जाना चाहिए, या उन्हें ऐसे लेजर का उपयोग करना पड़ता है जो केवल कुछ शब्द ही बोल पाते हैं। यह इन उपकरणों को वास्तविक दुनिया के काम के लिए उपयोग करना कठिन बनाता है, जैसे कारखाने या घर में खतरनाक रिसाव की जांच करना। हालांकि, "क्वांटम" नामक भौतिकी की एक नई शाखा ने एक चतुर समाधान पेश किया है। प्रकाश के कणों के जोड़े का उपयोग करके जो जादुई रूप से आपस में जुड़े (एंटैंगल्ड) होते हैं, वैज्ञानिक दृश्य प्रकाश (visible light) वाले डिटेक्टर का उपयोग करके उस गुप्त इन्फ्रारेड दुनिया की जांच कर सकते हैं, जिससे जमा देने वाले उपकरणों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। बड़ा सवाल यह था: क्या यह शानदार क्वांटम तकनीक प्रयोगशाला के बाहर, वास्तविक दुनिया की अस्त-व्यस्त और परिवर्तनशील हवा में, एक साथ विभिन्न गैसों के मिश्रण को पकड़ने के लिए वास्तव में काम कर सकती है?

क्वांटम जासूस का नया उपकरण

इस शोध पत्र में, जिनेवा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अपने क्वांटम स्पेक्ट्रोस्कोपी टूल को प्रयोगशाला से बाहर खुली हवा में ले जाने का निर्णय लिया ताकि यह देखा जा सके कि क्या यह सामान्य कार्बनिक वाष्पों के मिश्रण को पकड़ सकता है। उन्होंने एक विशेष उपकरण बनाया जिसे क्वांटम फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (QFTIR) स्पेक्ट्रोमीटर कहा जाता है। यह कैसे काम करता है, इसे समझने के लिए, प्रकाश के साथ "इको लोकेशन" (प्रतिध्वनि स्थान निर्धारण) के खेल की कल्पना करें। मशीन एक क्रिस्टल में लेजर भेजती है जो इसे दो जुड़े हुए जुड़वा बच्चों में विभाजित कर देता है: एक जुड़वा दृश्य प्रकाश सीमा में रहता है (जिसे पकड़ना आसान है), जबकि दूसरा जुड़वा इन्फ्रारेड सीमा (गुप्त भाषा) में यात्रा करता है। इन्फ्रारेड जुड़वा एक लंबे, खुले पथ—विशेष रूप से, एक 1.7 मीटर लंबे हाथ (arm)—में यात्रा करता है, जहाँ यह आसपास तैरते किसी भी गैस अणु से टकरा सकता है। दृश्य जुड़वा घर पर सुरक्षित रहता है। क्योंकि जुड़वा क्वांटम-जुड़े हुए हैं, यदि इन्फ्रारेड जुड़वा को गैस द्वारा धीमा किया जाता है या अवशोषित किया जाता है, तो दृश्य जुड़वा को इसके बारे में तुरंत "पता चल जाता है", भले ही उसने कभी गैस को छुआ न हो। दृश्य जुड़वा को मापकर, मशीन ठीक से पुनर्निर्मित कर सकती है कि इन्फ्रारेड जुड़वा के साथ क्या हुआ।

शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या यह सेटअप तीन अलग-अलग वाष्पों के एक अस्त-व्यस्त मिश्रण की पहचान कर सकता है: एसिटोन (नेल पॉलिश रिमूवर में पाया जाता है), मेथनॉल (एक प्रकार की अल्कोहल), और एथेनॉल (पेय पदार्थों में मौजूद अल्कोहल)। ये गैसें इसलिए कठिन हैं क्योंकि उनके "फिंगरप्रिंट" बहुत अधिक ओवरलैप होते हैं, जैसे तीन लोग एक ही गाना एक साथ गा रहे हों। उन्हें सुलझाने के लिए, टीम ने डिफरेंशियल एब्जॉर्प्शन स्पेक्ट्रोस्कोपी नामक तकनीक का उपयोग किया। इसे हवा या कमरे में तापमान परिवर्तन के कारण होने वाले कम आवृत्ति वाले शोर को अनदेखा करते हुए, प्रत्येक गायक के लिए अद्वितीय तीखे, उच्च स्वर वाले नोट्स सुनने के रूप में सोचें।

परिणाम सफल रहे। टीम ने पहली बार प्रदर्शित किया कि एक QFTIR स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग परिवेशी वायु में कई हस्तक्षेप करने वाली कार्बनिक गैसों का पता लगाने के लिए किया गया। उन्होंने सफलतापूर्वक प्रत्येक गैस के शुद्ध नमूनों की पहचान की और, इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि उन्होंने उन्हें मिलाने पर सटीक मिश्रण का भी पता लगाया। उदाहरण के लिए, वे 1/4 मेथनॉल और 3/4 एथेनॉल के मिश्रण और 2/3 एसिटोन और 1/3 मेथनॉल के दूसरे मिश्रण के बीच अंतर बता सके। उन्होंने यहाँ तक ट्रैक किया कि तरल पदार्थों के वाष्पित होने के साथ सांद्रता समय के साथ कैसे बदलती है, और घंटों दर घंटों बदलते नंबरों को देखा।

मशीन अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील साबित हुई। मीथेन गैस के साथ परीक्षण करते समय, यह 4 ppm (पार्ट्स प्रति मिलियन) जितने छोटे बदलावों को भी पकड़ सकती थी। कार्बनिक वाष्पों के लिए, पहचान की सीमा लगभग 8.95 ppm मेथनॉल के लिए, 10.4 ppm एसिटोन के लिए, और 14.4 ppm एथेनॉल के लिए थी। शुद्ध तरल पदार्थों के साथ अपने प्रयोगों में, उन्होंने 529 ppm एसिटोन और 197 ppm मेथनॉल जैसी सांद्रता मापी, जो पहचान की सीमाओं से काफी ऊपर है। मिश्रणों में भी, मशीन ने सही ढंग से पहचाना कि कौन सी गैसें मौजूद थीं और कौन सी अनुपस्थित थीं, और उन गैसों को अनदेखा कर दिया जो वहां नहीं थीं।

यह कार्य दिखाता है कि क्वांटम सेंसर अब केवल प्रयोगशाला के सैद्धांतिक खिलौने नहीं रह गए हैं। प्रकाश के यात्रा करने के लिए एक लंबा पथ बनाकर और शोर को छानने के लिए स्मार्ट गणित का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि यह तकनीक वास्तविक दुनिया में गैसों के जटिल मिश्रण को सटीक रूप से सूंघ सकती है। यह इस तकनीक को रोजमर्रा के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो संभावित रूप से हमें वायु गुणवत्ता की निगरानी करने या खतरनाक रिसाव का पता लगाने में मदद कर सकता है, और वह भी एक ऐसे उपकरण के साथ जो अतीत की विशाल, जमा देने वाली मशीनों की तुलना में अधिक संवेदनशील और उपयोग में आसान है।