Light-Stabilized Metastable Electronic State in NiO with Enhanced Orbital Hybridization2
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि NiO का फोटोएक्सिटेशन (photoexcitation) इलेक्ट्रॉनिक सहसंबंधों की गतिशील स्क्रीनिंग (dynamic screening) के माध्यम से एक दीर्घजीवी मेटास्टेबल अवस्था (metastable state) को प्रेरित करता है जिसमें Ni 3d-O 2p कक्षक संकरण (orbital hybridization) संवर्धित होता है, जो एक गैर-तापीय तंत्र है जिसे कम वाहक घनत्व (carrier densities) पर स्थिर किया जा सकता है ताकि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों के लिए नए डिजाइन सिद्धांत प्रदान किए जा सकें।
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सामग्री विज्ञान (materials science) की दुनिया की कल्पना करें जो परमाणुओं से बना एक विशाल, हलचल भरा शहर है। इस शहर में कुछ मोहल्ले बहुत सख्त और व्यवस्थित हैं, जबकि अन्य अराजक और ऊर्जा से भरे हुए हैं। इन "सख्त" मोहल्लों को कोरिलेटेड ऑक्साइड्स (correlated oxides) कहा जाता है। यहाँ, इलेक्ट्रॉन (बिजली ले जाने वाले नन्हे कण) केवल स्वतंत्र रूप से इधर-उधर नहीं घूमते; वे अपने पड़ोसियों के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। यदि एक इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होता है, तो यह अन्य सभी के व्यवहार को बदल देता है, जिससे प्रतिकर्षण (repulsion) और आकर्षण का एक जटिल नृत्य पैदा होता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस नृत्य को नियंत्रित करना चाहते थे, इस उम्मीद में कि इससे बेहतर सौर पैनल, तेज़ कंप्यूटर या ईंधन में सूरज की रोशनी को बदलने वाले अधिक कुशल उत्प्रेरक (catalysts) बनाए जा सकें। आमतौर पर, इन सामग्रियों के व्यवहार को बदलने के लिए, इंजीनियरों को इसमें नए रसायन मिलाने पड़ते हैं या उन्हें उच्च तापमान पर पकाना पड़ता है—जैसे कि दीवारों को गिराकर किसी घर का नवीनीकरण करना। लेकिन क्या होगा अगर आप पूरे शहर के व्यवहार को केवल उस पर रोशनी डालकर बदल सकें? यही वह बड़ा सवाल है जिसे यह शोध हल करता है: क्या हम इन पेचीदा सामग्रियों को बिना तोड़े या गर्म किए, प्रकाश का उपयोग करके तुरंत और उत्क्रमणीय (reversible) रूप से उनके इलेक्ट्रॉनिक "व्यक्तित्व" को ट्यून कर सकते हैं?
वैज्ञानिकों ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए एक सुपरस्टार सामग्री निकल ऑक्साइड (NiO) का उपयोग करने का निर्णय लिया। NiO को एक पारदर्शी, पथरीले किले के रूप में सोचें जो आमतौर पर बिजली को रोकता है लेकिन इसे कुछ हिस्सा गुजरने देने के लिए छल किया जा सकता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि जब वे इस किले पर लेजर मारते हैं तो क्या होता है। उन्होंने दो अलग-अलग "प्रकाश हथियारों" का उपयोग किया: पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश का एक सुपर-ब्राइट, छोटा पल्स (एक कैमरा फ्लैश की तरह) और पराबैंगनी प्रकाश की एक स्थिर, मंद धारा (एक नाइटलाइट की तरह)। उनका लक्ष्य सामग्री को बदलते हुए पकड़ना था, जिसके लिए उन्होंने एक विशेष प्रकार के एक्स-रे कैमरे का उपयोग किया जो परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों की सूक्ष्म व्यवस्था को देख सकता है।
यहाँ उन्हें क्या मिला, और यह थोड़ा चौंकाने वाला मोड़ है। जब उन्होंने NiO पर सुपर-ब्राइट लेजर फ्लैश छोड़ा, तो उन्होंने एक ऐसी अवस्था बनाई जो लगभग 600 पिकोसेकंड (600 ट्रिलियनवें सेकंड) तक रही। इस अवस्था में, इलेक्ट्रॉनों ने अलग तरह से व्यवहार करना शुरू कर दिया, लेकिन एक समस्या थी: सामग्री गर्म भी हो गई, जैसे कार का इंजन रेसिंग कर रहा हो। गर्मी ने परमाणुओं को हिला दिया, जिससे तस्वीर जटिल हो गई। हालाँकि, जब उन्होंने स्थिर, मंद प्रकाश का उपयोग किया, तो कुछ जादुई हुआ। वे उसी विशेष इलेक्ट्रॉनिक अवस्था को बनाने में सफल रहे—जहाँ इलेक्ट्रॉन एक नए, अधिक सहकारी तरीके से नाच रहे थे—लेकिन इस बार, सामग्री गर्म नहीं हुई। परमाणु ठंडे और स्थिर रहे।
तो, इलेक्ट्रॉनों में वास्तव में क्या बदला? शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रकाश ने निकल (nickel) के परमाणुओं और ऑक्सीजन के परमाणुओं पर मौजूद इलेक्ट्रॉनों को एक-दूसरे का हाथ थोड़ा और मजबूती से थामने के लिए प्रेरित किया। विज्ञान की भाषा में, इसे एन्हांस्ड ऑर्बिटल हाइब्रिडाइजेशन (enhanced orbital hybridization) कहा जाता है। इलेक्ट्रॉनों को नर्तकों के रूप में कल्पना करें; आमतौर पर, निकल के नर्तक और ऑक्सीजन के नर्तक एक निश्चित दूरी बनाए रखते हैं। प्रकाश ने उन्हें एक-दूसरे का हाथ पकड़कर अधिक निकटता से साथ घूमने के लिए प्रेरित किया। इस बदलाव ने सामग्री को बिजली का बेहतर संचालन करने में सक्षम बनाया और उनके ऊर्जा स्तरों को बदल दिया, जिससे वे सौर सेल जैसी चीजों के लिए अधिक उपयोगी बन गए।
महत्वपूर्ण रूप से, टीम को कुछ संदिग्धों को खारिज करना था। उन्होंने साबित किया कि यह परिवर्तन केवल इसलिए नहीं था क्योंकि सामग्री गर्म होकर फैल गई थी (थर्मल एक्सपेंशन)। उन्होंने यह भी दिखाया कि यह केवल प्रकाश द्वारा इलेक्ट्रॉनों को उनकी जगह से हटाकर एक अस्थायी गड़बड़ी पैदा करने के कारण भी नहीं था। इसके बजाय, प्रकाश ने एक "स्क्रीन" की तरह काम किया, जो इलेक्ट्रॉनों के बीच के सामान्य प्रतिकर्षण को रोककर उन्हें करीब आने की अनुमति देता है। यही "स्क्रीनिंग" प्रभाव है जिसने निकल और ऑक्सीजन के बीच के बंधन को मजबूत किया।
अध्ययन बताता है कि यह प्रकाश-प्रेरित अवस्था एक वास्तविक, लंबे समय तक रहने वाली "मेटास्टेबल" (metastable) अवस्था है। यह केवल एक क्षणिक चमक नहीं है; यह इतनी देर तक बनी रहती है कि उपयोगी हो सके। शोधकर्ताओं ने अपने अवलोकनों की पुष्टि के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे पता चला कि जब उन्होंने आभासी निकल और ऑक्सीजन को एक-दूसरे का हाथ अधिक मजबूती से थामने के लिए प्रोग्राम किया (उनके बीच की अंतःक्रिया को बढ़ाकर), तो सिम्युलेटेड एक्स-रे चित्र बिल्कुल वैसे ही दिखे जैसे लैब में लिए गए वास्तविक चित्र थे।
यह क्यों मायने रखता है? क्योंकि यह तकनीक बनाने के एक नए तरीके का द्वार खोलता है। सामग्रियों को बेहतर बनाने के लिए उन्हें पकाने या जहरीले रसायन मिलाने के बजाय, हम बस उनकी विशेषताओं को "ऑन" या "ऑफ" करने के लिए एक विशिष्ट रंग की रोशनी चमका सकते हैं। यह एक स्विच की तरह है जो किसी सामग्री के रसायन विज्ञान को नियंत्रित करता है। हालांकि यह पेपर अभी तक कोई नया सौर पैनल बनाने का दावा नहीं करता है, लेकिन यह सिद्ध करता है कि स्विच मौजूद है और हमें इसे कैसे चालू करना है, यह भी दिखाता है। यह समझकर कि प्रकाश कैसे इन सामग्रियों को बिना जलाए अलग तरह से नाचने में मदद कर सकता है, वैज्ञानिक अब ऊर्जा को पकड़ने और हमारे पर्यावरण को साफ करने के लिए बेहतर सामग्रियाँ डिज़ाइन कर सकते हैं, और वह भी प्रकाश की भाषा सीखकर।
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