Rotational excitation of molecules in the regime of strong ro-vibrational coupling: Comparison between an optical centrifuge and a transform-limited pulse

अणु स्थिर, कठोर वस्तुएं नहीं हैं; वे निरंतर गति में रहते हैं, छोटे, अराजक लट्टुओं की तरह घूमते और कंपन करते हैं। क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से इस गति को, विशेष रूप से अणुओं के घूमने, या घूर्णन (रोटेशन) को नियंत्रित करने के तरीके खोज रहे हैं। एक शक्तिशाली विधि में लेजर पल्स का उपयोग करके एक अणु को पकड़ना और उसे अविश्वसनीय गति से घुमाना शामिल है, जिससे "सुपर-रोटर्स" (super-rotors) बनते हैं। ये ऐसे अणु हैं जो इतनी तेजी से घूमते हैं कि वे खिंच जाते हैं और विकृत हो जाते हैं, जो उन सरल मॉडलों को चुनौती देते हैं जिनका उपयोग वैज्ञानिक आमतौर पर उन्हें वर्णित करने के लिए करते हैं। दशकों तक, यह तकनीक हल्के अणुओं और बहुत मजबूत बंधों (बॉन्ड्स) वाले अणुओं पर सबसे अच्छा काम करती थी, जहाँ अणु की आंतरिक कंपन प्रक्रिया में बाधा डाले बिना इसके घूमने की गति का अध्ययन किया जा सके। हालाँकि, भारी अणुओं या नरम बंधों वाले अणुओं के मामले में, घूमना और कंपन करना गहराई से आपस में जुड़ जाता है। जैसे-जैसे अणु तेजी से घूमता है, वह अधिक तीव्रता से कंपन करता है, और यह संबंध अणु को टूट जाने का कारण बन सकता है। शोधकर्ताओं के सामने प्रश्न यह है कि क्या भारी अणुओं को उनकी कंपन प्रक्रिया को उत्तेजित करके गलती से बिखेरने या तोड़ने के बिना, उन्हें अत्यधिक गति से घुमाने का कोई तरीका है।

इस उत्तर को खोजने के लिए, भौतिकविदों की एक टीम ने रुबिडियम डाइमर (rubidium dimer) नामक एक भारी अणु का उपयोग करते हुए एक विस्तृत सैद्धांतिक अध्ययन किया, जिसमें दो रुबिडियम परमाणु होते हैं। उन्होंने इस अणु के व्यवहार का अनुकरण (सिमुलेशन) किया जब इसे दो अलग-अलग प्रकार के लेजर पल्स से टकराया गया, जो दोनों समान मात्रा में ऊर्जा ले जाने के लिए डिज़ाइन किए गए थे। पहला पल्स प्रकाश का एक मानक, छोटा विस्फोट था, जबकि दूसरा एक विशेष "ऑप्टिकल सेंट्रीफ्यूज" (optical centrifuge) था। यह सेंट्रीफ्यूज पल्स अद्वितीय है क्योंकि इसका ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन)—जिस दिशा में प्रकाश का विद्युत क्षेत्र संकेत देता है—समय के साथ तेजी से और अधिक तेजी से घूमता है, जो प्रभावी रूप से अणु को पकड़ता है और उसके घूर्णन को तेज करता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या यह क्रमिक, त्वरित घूर्णन, एक मानक पल्स की तुलना में अणु के घूर्णन को बेहतर ढंग से नियंत्रित कर सकता है, विशेष रूप से अणु के कंपन को शांत रखकर और उसे टूटने से बचाकर।

सिमुलेशन ने दोनों विधियों के बीच एक स्पष्ट अंतर प्रकट किया। जब मानक, छोटे लेजर पल्स ने अणु से टकराया, तो उसने ऊर्जा को बहुत तेजी से स्थानांतरित किया। इस तीव्र स्थानांतरण के कारण अणु तेजी से घूमने लगा, लेकिन इसने अणु की आंतरिक संरचना को भी झकझोर दिया, जिससे इसके कंपन अवस्थाओं (vibrational states) में महत्वपूर्ण प्रसार हुआ। अणु उच्च-गति वाले घूर्णन और तीव्र, अनियंत्रित कंपन के एक अराजक मिश्रण में समाप्त हुआ, जिससे इसके बिखरने का जोखिम बढ़ गया। इसके विपरीत, ऑप्टिकल सेंट्रीफ्यूज पल्स एक सौम्य, त्वरित हाथ की तरह कार्य करता है। क्योंकि इसने एक लंबी अवधि में धीरे-धीरे ऊर्जा स्थानांतरित की, यह अणु के कंपन को आश्चर्यजनक रूप से शांत रखते हुए उसे बहुत उच्च गति तक घुमाने में सक्षम था। अणु उच्च घूर्णन अवस्थाओं तक पहुँच गया, लेकिन उसकी आंतरिक कंपन मूल स्तर के पास ही केंद्रित रही, जो यह दर्शाती है कि सेंट्रीफ्यूज प्रभावी रूप से घूमने की गति को कंपन की गति से अलग कर सकता है।

यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देता है कि ऑप्टिकल सेंट्रीफ्यूज भारी अणुओं में विनाशकारी कंपनों को सक्रिय किए बिना "सुपर-रोटर्स" बनाने का एक तरीका प्रदान करता है, जो आमतौर पर विघटन (dissociation) का कारण बनते हैं। अध्ययन ने दिखाया कि जबकि मानक पल्स ने घूमने और कंपन करने वाले मोड के बीच ऊर्जा का एक विस्तृत, अव्यवस्थित वितरण बनाया, सेंट्रीफ्यूज ने कंपन ऊर्जा को कम और नियंत्रित रखा। यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने अणुओं को और भी तेजी से घुमाने के लिए सेंट्रीफ्यूज पल्स की तीव्रता बढ़ाई, तब भी कंपन का प्रसार मानक पल्स की तुलना में बहुत संकीर्ण रहा। परिणाम संकेत देते हैं कि सेंट्रीफ्यूज इस विशिष्ट कार्य के लिए एक बेहतर उपकरण है, जो कंपन की सीढ़ी को लगभग अछूता छोड़ते हुए घूर्णन की सीढ़ी पर कुशलतापूर्वक चढ़ने में सक्षम है।

ये निष्कर्ष उन अणुओं के लिए भी सत्य रहे जो लेजर के प्रहार से पहले ही उत्तेजित कंपन अवस्थाओं में थे। इन मामलों में, मानक पल्स ने फिर से एक विस्तृत, अनियंत्रित मिश्रण उत्पन्न किया, जबकि सेंट्रीफ्यूज ने एक अधिक कड़ा, नियंत्रित वितरण बनाए रखा। शोधकर्ताओं ने पाया कि सेंट्रीफ्यूज इन शुरुआती बिंदुओं से उच्च-गति वाले रोटर्स बनाने में विशेष रूप रूप से प्रभावी था, जबकि मानक पल्स अक्सर उतनी उच्च गति तक पहुँचने में विफल रहा क्योंकि ऊर्जा अनचाहे कंपनों में बिखर गई थी। कंपन अवस्था को नियंत्रित करने की यह क्षमता, घूर्णन को संचालित करते हुए, यह सुझाव देती है कि ऑप्टिकल सेंट्रीफ्यूज का उपयोग उन क्षेत्रों में आणविक गतिशीलता (molecular dynamics) का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है जहाँ एक कठोर, अपरिवर्तित अणु की सरल धारणा विफल हो जाती है।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि ऊर्जा को अणु तक पहुँचाने का तरीका उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि ऊर्जा की कुल मात्रा। एक ऐसे पल्स का उपयोग करके जो घूर्णन को धीरे-धीरे तेज करता है, वैज्ञानिक उस स्तर का नियंत्रण प्राप्त कर सकते हैं जो एक अचानक, तीव्र विस्फोट नहीं कर सकता। ऑप्टिकल सेंट्रीफ्यूज इस विशिष्ट कार्य के लिए एक सटीक उपकरण सिद्ध होता है, जो अणु की संरचनात्मक अखंडता की रक्षा करते हुए उन्हें चरम सीमाओं तक घुमाने में सक्षम है, जिससे उन भारी अणुओं के साथ नए प्रयोगों का मार्ग प्रशस्त होता है जिन्हें पहले बिना तोड़े हेरफेर करना बहुत कठिन था। अध्ययन पुष्टि करता है कि सही पल्स आकार के साथ, घूर्णन और कंपन के जटिल नृत्य पर महारत हासिल करना संभव है, जिससे अणु को सुरक्षित रखा जा सके, भले ही वह उन गतियों पर घूम रहा हो जो अन्यथा उसे फाड़ देंगी।