The multiconfigurational ground state of a diradicaloid characterized at the atomic scale
यह अध्ययन टिप-प्रेरित पीढ़ी (tip-induced generation), परमाणु-स्तर के स्कैनिंग प्रोब लक्षण वर्णन और बहु-विन्यास गणनाओं (multiconfigurational calculations) को जोड़कर एक अत्यंत पतली NaCl सतह पर एक सिंगलेट डायरेडिकलॉइड (singlet diradicaloid) की मेनी-बॉडी ग्राउंड स्टेट (many-body ground state) को प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है, जिससे इसकी ज्यामितीय और इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं में मजबूत इलेक्ट्रॉनिक सहसंबंधों (electronic correlations) का अनावरण होता है।
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एक सदी से अधिक समय से, रसायनशास्त्री और भौतिक विज्ञानी अणुओं के एक विचित्र वर्ग से मंत्रमुग्ध रहे हैं जो ऐसा प्रतीत होता है जैसे वे एक साथ दो दुनियाओं में मौजूद हैं। ये वे स्थिर, अनुमानित यौगिक नहीं हैं जो भौतिक जगत के अधिकांश भाग का निर्माण करते हैं, न ही ये रेडिकल्स के रूप में जाने जाने वाले क्षणभंगुर, अत्यधिक प्रतिक्रियाशील अंश हैं। इसके बजाय, वे इनके बीच के एक धूसर क्षेत्र (ग्रे ज़ोन) में स्थित हैं, जो इस तरह व्यवहार करते हैं जैसे वे एक साथ बंद और खुले, स्थिर और अस्थिर हों। यह अस्पष्टता इसलिए उत्पन्न होती है क्योंकि इन अणुओं के भीतर इलेक्ट्रॉन एक एकल, सुव्यवस्थित व्यवस्था में नहीं बसते हैं। इसके बजाय, वे एक जटिल, साझा अवस्था में मौजूद होते हैं जहाँ कई संभावित व्यवस्थाएँ एक दूसरे पर अतिव्यापित (ओवरलैप) होती हैं, जिससे एक "मेनी-बॉडी" (बहु-पिंड) ग्राउंड स्टेट का निर्माण होता है। इस व्यवहार को समझना इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमारे इस बुनियादी सिद्धांत को चुनौती देता है कि रासायनिक बंध कैसे कार्य करते हैं और उन्नत इलेक्ट्रॉनिक्स एवं कंप्यूटिंग के लिए नई सामग्रियों को डिजाइन करने का मार्ग प्रशस्त करता है। प्रश्न लंबे समय से यह रहा है कि क्या ओवरलैपिंग इलेक्ट्रॉन अवस्थाओं के इन सैद्धांतिक विवरणों को केवल बल्क मापों से अनुमान लगाने के बजाय, एक एकल अणु में सीधे देखा जा सकता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट अणु को परमाणु स्तर पर बनाकर और उसका परीक्षण करके अब इस प्रश्न का उत्तर दिया है। उन्होंने एक संरचना बनाई जिसमें चार कार्बन परमाणुओं की एक छोटी श्रृंखला से जुड़े दो त्रिकोणीय कार्बन वलय (रिंग्स) शामिल थे। एक मानक रासायनिक दृष्टिकोण से, यह श्रृंखला एकल और त्रि-बंधों (सिंगल और ट्रिपल बॉन्ड्स) की एक वैकल्पिक श्रृंखला, या शायद दोहरे बंधों की एक समान स्ट्रिंग के रूप में दिखाई दे सकती है। हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने इस अणु को नमक की एक पतली परत पर रखा और एक अत्यंत नुकीले टिप के साथ इसकी जांच की, तो उन्होंने पाया कि वास्तविकता कहीं अधिक सूक्ष्म थी। अणु ने एक बॉन्डिंग पैटर्न के ऊपर दूसरे को नहीं चुना। इसके बजाय, केंद्रीय श्रृंखला में बंधों की मजबूती एक मध्यवर्ती स्तर पर थी, जो एक भौतिक संकेत है कि अणु दोनों संभावनाओं का एक संकर (हाइब्रिड) है। यह अवलोकन पुष्टि करता है कि अणु एक ऐसी अवस्था में मौजूद है जहाँ इसके इलेक्ट्रॉन गहराई से उलझे (एंटैंगल्ड) हुए हैं, और वे किसी एक सरल चित्र द्वारा वर्णित होने से इनकार करते हैं।
इसे देखने के लिए, शोधकर्ताओं को पहले एक सतह पर परमाणु-दर-परमाणु इस अणु का निर्माण करना था। उन्होंने एक 'प्रिकर्सर' अणु के साथ शुरुआत की जिसमें अतिरिक्त हाइड्रोजन परमाणु जुड़े हुए थे, जिसने इसे एक स्थिर, बंद रूप में बनाए रखा। एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप के टिप का उपयोग करते हुए, उन्होंने हाइड्रोजन परमाणुओं को हटाने के लिए सटीक वोल्टेज पल्स लागू किए। 'डीहाइड्रोजनेशन' के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया, स्थिर प्रिकर्सर को लक्षित अणु में बदल देती है, जो एक अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक विशेषता वाला एक तटस्थ पदार्थ है। टीम ने परिणाम का अध्ययन करने के लिए दो अलग-अलग प्रकार की सूक्ष्मदर्शी इमेजिंग का उपयोग किया। एक तकनीक, 'एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी', ने टिप और अणु के बीच प्रतिकर्षण बल को मापकर रासायनिक बंधों की शक्ति को महसूस करने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि चार-कार्बन श्रृंखला में एकल और त्रि-बंधों की एक वैकल्पिक श्रृंखला के रूप में अपेक्षित मजबूत और कमजोर बंधों के बीच स्पष्ट अंतर नहीं दिखा। न ही यह पूरी तरह से समान था। बंध की मजबूती दोनों में से कहीं बीच में थी, जो सुझाव देती है कि अणु दो अलग-अलग संरचनात्मक रूपों का मिश्रण है।
जांच का दूसरा हिस्सा इस बात से संबंधित था कि अणु बिजली के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है। सतह को एक ऐसे वोल्टेज के साथ स्कैन करके, जो इलेक्ट्रॉन जोड़ या हटा सकता है, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉन बादलों के आकार का मानचित्रण किया। यदि अणु एक मानक, क्लोज्ड-शेल सिस्टम की तरह व्यवहार करता, तो इन इलेक्ट्रॉन बादलों के चित्र सरल, अनुमानित पैटर्न से मेल खाते। इसके बजाय, चित्रों ने कुछ अप्रत्याशित दिखाया। कुछ विशिष्ट वोल्टेज पर, इलेक्ट्रॉन घनत्व श्रृंखला के केंद्र में एक छेद या गिरावट (डिप) के रूप में दिखाई दिया, जो एक विशेषता थी जिसे इलेक्ट्रॉनों की एकल, स्थिर व्यवस्था द्वारा नहीं समझाया जा सकता था। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि ये चित्र केवल तभी समझ में आते हैं जब वे अणु की ग्राउंड स्टेट को कई अलग-अलग इलेक्ट्रॉन विन्यासों के मिश्रण के रूप में विचार करें। इस दृष्टिकोण में, अणु केवल एक चीज़ या दूसरी चीज़ नहीं है; यह कई संभावनाओं का एक भारित संयोजन (वेटेड कॉम्बिनेशन) है, जहाँ इलेक्ट्रॉन लगातार विभिन्न व्यवस्थाओं के बीच बदलते रहते हैं।
इस व्याख्या की पुष्टि करने के लिए, टीम ने जटिल कंप्यूटर सिमुलेशन किए जिसमें इलेक्ट्रॉनों को व्यक्तिगत कणों के बजाय एक सामूहिक समूह के रूप में माना गया। इन गणनाओं ने प्रायोगिक चित्रों का समर्थन किया, जिससे पता चला कि अणु का व्यवहार एक ऐसी अवस्था द्वारा सबसे अच्छी तरह से वर्णित किया जाता है जहाँ कई इलेक्ट्रॉन विन्यास सह-अस्तित्व में हैं। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि मजबूत इलेक्ट्रॉनिक सहसंबंध—जिससे तात्पर्य है कि इलेक्ट्रॉन एक भीड़भाड़ वाले वातावरण में एक-दूसरे को कैसे प्रभावित करते हैं—एक एकल अणु के भौतिक आकार और विद्युत गुणों में प्रकट हो सकते हैं। यह कार्य स्पष्ट प्रमाण प्रदान करता है कि क्वांटम यांत्रिकी की जटिल, बहु-स्तरीय प्रकृति केवल एक गणितीय अमूर्तता नहीं है, बल्कि सूक्ष्म स्तर पर पदार्थ का एक वास्तविक, दृश्यमान गुण है। यह दिखाकर कि कैसे एक एकल अणु विभिन्न रासायनिक अवस्थाओं के मिश्रण को आत्मसात कर सकता है, यह शोध रासायनिक बंधों की मौलिक प्रकृति को देखने और समझने का एक नया तरीका प्रदान करता है।
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