On Fano effect in IR spectra of hydrogenated nanodiamonds
यह कार्य हाइड्रोजनेटेड नैनोडायमंड्स के इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा में फ़ानो-रेज़ोनेंस "ट्रांसमिशन विंडो" की उत्पत्ति की जांच करता है और निष्कर्ष निकालता है कि जबकि अधिशोषित C-H स्ट्रेचिंग वाइब्रेशन्स इसके लिए जिम्मेदार नहीं हैं, यह रेज़ोनेंस संभवतः डायमंड ऑप्टिकल फोनों के (111) सतहों पर मोनोहाइड्राइड बेंडिंग वाइब्रेशन्स या ग्रेफाइटिक आइलैंड्स के साथ युग्मन से उत्पन्न होता है, जो अनाज के विशिष्ट आकारिकी और आकार वितरण पर निर्भर करता है।
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कल्पना कीजिए अत्यंत सूक्ष्म, नन्हे हीरे जो इतने छोटे हैं कि उन्हें एक मीटर के अरबवें हिस्से में मापा जाता है। ये वे चमकते रत्न नहीं हैं जो आभूषणों के डिब्बे में होते; ये औद्योगिक नैनोडायमंड्स (nanodiamonds) हैं। जब वैज्ञानिक इन नन्हे हीरों के माध्यम से इन्फ्रारेड प्रकाश (एक प्रकार का अदृश्य ऊष्मा प्रकाश) प्रवाहित करते हैं, तो कुछ अजीब होता है। सामान्यतः, प्रकाश अवशोषित हो जाता है, लेकिन ठीक उसी विशिष्ट आवृत्ति (frequency) पर जहाँ हीरे सामान्य रूप से कंपन करते हैं, प्रकाश अचानक क्रिस्टल के भीतर प्रवेश कर जाता है। यह एक "गुप्त दरवाजे" या "पारदर्शिता की खिड़की" की तरह है जो एक ऐसी दीवार में खुल जाती है जो ठोस होनी चाहिए थी।
यह कार्य इस बात की जांच करता है कि यह गुप्त दरवाजा क्यों खुलता है।
"फ़ानो रेजोनेंस" (Fano Resonance) की पहेली
वैज्ञानिक इस घटना को फ़ानो रेजोनेंस कहते हैं। इसे समझने के लिए, एक भीड़ भरे डांस फ्लोर (हीरे की सतह) की कल्पना करें।
- सामान्यतः, नर्तक (परमाणु) एक बहुत ही विशिष्ट, समन्वित लय (हीरे का प्राकृतिक कंपन) में चलते हैं।
- हालाँकि, जब डांस फ्लोर पर "फ्रीलांसर" या "कंडक्टर" (विद्युत आवेश/electric charges) मौजूद होते हैं, तो वे इस लय को बाधित कर सकते हैं।
- जब प्रकाश हीरे से टकराता है, तो वह नर्तकों को गति में लाने की कोशिश करता है। यदि प्रकाश की आवृत्ति नर्तकों की लय से मेल खाती है और कंडक्टर भी मौजूद हैं, तो कुछ विशेष होता है: प्रकाश एक जटिल अंतःक्रिया में "फँस" जाता है, जिससे अवशोषण (absorption) में कमी आती है। यह एक ऐसे संगीत के स्वर की तरह है जो अचानक शांत हो जाता है क्योंकि वह पृष्ठभूमि के शोर के साथ हस्तक्षेप (interfere) कर रहा है।
बड़ा सवाल जो लेखकों ने पूछा था वह था: वे "कंडक्टर" (विद्युत आवेश) क्या बनाते हैं जो इसे संभव बनाते हैं?
संदिग्ध: हाइड्रोजन बनाम ग्रेफाइट
नैनोडiamonds की सतह पर इस विद्युत चालकता (conductivity) का कारण क्या है, इसके बारे में दो मुख्य सिद्धांत थे:
- "हाइड्रोजन कोट" सिद्धांत: शायद हीरे हाइड्रोजन परमाणुओं से ढके हुए हैं (जैसे पेंट की एक परत), और इन हाइड्रोजन परमाणुओं के खिंचाव वाले कंपन (stretching vibrations) इस प्रभाव का कारण बनते हैं।
- "ग्रेफाइट आइलैंड्स" सिद्धांत: शायद हीरे की सतह थोड़ी क्षतिग्रस्त या पुनर्गठित हुई है, जिससे ग्रेफाइट (पेंसिल की लीड में पाया जाने वाला पदार्थ) के छोटे-छोटे द्वीप बन गए हैं, जो स्वाभाविक रूप से चालक (conductive) होते हैं।
वैज्ञानिकों ने क्या पाया
शोधकर्ताओं ने विभिन्न आकारों के नैनोडiamonds (2.6 nm के सूक्ष्म दानों से लेकर 30 nm के बड़े दानों तक) का परीक्षण किया और उनके इन्फ्रारेड फिंगरप्रिंट का विश्लेषण किया।
- "हाइड्रोजन पुल" को खारिज करना: उन्होंने पाया कि हाइड्रोजन परमाणुओं के "खिंचाव" वाले कंपन (जहाँ हाइड्रोजन कार्बन से एक रबर बैंड की तरह दूर खिंचता है) उस "गुप्त दरवाजे" से मेल नहीं खाते हैं। वास्तव में, कुछ मामलों में, जितना अधिक हाइड्रोजन खिंचाव देखा गया, गुप्त दरवाजा उतना ही कमजोर होता गया। इसलिए, सरल "हाइड्रोजन कोट" मुख्य अपराधी नहीं है।
- "हाइड्रोजन बेंड" का सुराग: हालाँकि, उन्होंने हाइड्रोजन के एक और प्रकार के आंदोलन की खोज की। कल्पना कीजिए कि हीरे की सतह पर एक हाइड्रोजन परमाणु केवल खिंच नहीं रहा है, बल्कि लहरा रहा है या झुक रहा है (bending), जैसे हवा में लहराता हुआ झंडा। विशेष रूप से हीरे के चपटे (111) फलकों पर, यह "झुकने" वाली गति लगभग उसी आवृत्ति पर होती है जिस पर हीरे का प्राकृतिक कंपन होता है।
- उपमा: हीरे के प्राकृतिक कंपन को एक घंटी बजने के रूप में सोचें। "झुकने" वाला हाइड्रोजन एक छोटे ट्यूनिंग फोर्क (tuning fork) की तरह कार्य करता है जो घंटी की ध्वनि से पूरी तरह मेल खाता है। जब वे एक साथ बजते हैं, तो वे वह हस्तक्षेप पैटर्न (फ़ानो रेजोनेंस) बनाते हैं जो पारदर्शिता की खिड़की खोल देता है।
- "ग्रेफाइट" कारक: सबसे छोटे हीरों में, वैज्ञानिकों ने कार्बन परमाणुओं के ग्रेफाइट जैसी संरचना में व्यवस्थित होने के संकेत भी देखे। ये "ग्रेफाइट आइलैंड्स" भी इस प्रभाव के लिए आवश्यक विद्युत चालकता उत्पन्न करने में योगदान दे सकते हैं, विशेष रूप से सबसे छोटे दानों में।
तापमान का मोड़
यह कार्य यह भी बताता है कि जब इन हीरों को गर्म किया जाता है, तो "गुप्त दरवाजा" बंद हो जाता है। पारदर्शिता की खिड़की गायब हो जाती है। जब उन्हें फिर से ठंडा किया जाता है, तो दरवाजा फिर से खुल जाता है।
- क्यों? गर्मी हाइड्रोजन परमाणुओं के "लहरने" (wobble) की गति को बदल देती है। यह एक गिटार के तार को ट्यून करने जैसा है; जब आप इसे गर्म करते हैं, तो इसकी पिच (pitch) थोड़ी बदल जाती है। एक बार जब हाइड्रोजन के "लहरने वाले" (wobblers) की पिच हीरे की घंटी के स्वर से मेल नहीं खाती, तो विशेष रेजोनेंस टूट जाता है और खिड़की बंद हो जाती है।
निष्कर्ष
यह कार्य निष्कर्ष निकालता है कि नैनोडiamonds में "पारदर्शिता की खिड़की" एक टीम वर्क है, जिसमें अभिनेताओं का चयन हीरे के दाने के आकार और आकार पर निर्भर करता है:
- यह हाइड्रोजन परमाणुओं के केवल "खिंचाव" के कारण नहीं है।
- यह संभवतः उन हाइड्रोजन परमाणुओं के कारण है जो हीरे की कुछ सपाट सतहों पर लहराते या झुकते (bend) हैं, जो हीरे के कंपन के साथ तालमेल बिठाते हैं।
- सबसे छोटे हीरों में, सतह पर मौजूद छोटे ग्रेफाइट पैच भी भारी काम में योगदान दे सकते हैं।
अनिवार्य रूप से, "गुप्त दरवाजा" इसलिए खुलता है क्योंकि सतह पर होने वाली विशिष्ट परमाणु गतिविधियाँ हीरे की प्राकृतिक लय के साथ पूरी तरह से ट्यून की गई हैं, जिससे एक अनूठी विद्युत अंतःक्रिया पैदा होती है जो प्रकाश को गुजरने देती है।
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