Chiral rotational dynamics in the molecular frame: Breaking symmetry with angular momentum
यह शोध पत्र माइक्रोवेव, ऑप्टिकल और THz पल्स के विशिष्ट अनुक्रमों का उपयोग करके अकिरल (achiral) अणुओं में चिरल घूर्णी गतिकी (chiral rotational dynamics) उत्पन्न करने की एक विधि प्रस्तावित करता है, जो आणविक फ्रेम में कोणीय संवेग अभिविन्यास के माध्यम से समरूपता को तोड़ने के लिए ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण का उपयोग करती है, जिससे यादृच्छिक रूप से उन्मुख नमूनों में टाइम-ऑड (time-odd) चिरोप्टिकल घटनाओं का अध्ययन संभव हो पाता है।
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कायरैलिटी (Chirality) ब्रह्मांड का एक मौलिक गुण है, जो उन वस्तुओं का वर्णन करता है जो अपने दर्पण प्रतिबिंबों पर पूरी तरह से आरोपित नहीं हो सकती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक बायां हाथ दाएं हाथ वाले दस्ताने में पूरी तरह से फिट नहीं हो सकता। आणविक दुनिया में, यह "हाथ की बनावट" (handedness) आमतौर पर अणु के भीतर परमाणुओं की स्थिर व्यवस्था से आती है। हालांकि, वास्तविक, स्थिर कायरैलिटी अच्छी तरह से समझी जाती है, लेकिन एक अधिक मायावी रूप जिसे "असत्य" या 'टाइम-ऑड' (time-odd) कायरैलिटी कहा जाता है, वह प्रणालियों से संबंधित है जहाँ गति की दिशा स्वयं इस बनावट को परिभाषित करती है। इस प्रकार की कायरैलिटी समय को उलटने (reverse करने) पर बदल जाती है, जिससे यह एक क्षणिक अवस्था बन जाती है। सामान्यतः सममित और अकाइरल (achiral) अणुओं में इस गतिशील बनावट को बनाना और पहचानना एक बड़ी चुनौती रही है, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि इसके लिए अणुओं को एक ही दिशा में संरेखित किए बिना विशिष्ट सममिति (symmetry) को तोड़ना आवश्यक है।
फ्री यूनिवर्सिटी बर्लिन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब अणुओं के घूर्णन (rotation) को नियंत्रित करके अकाइरल अणुओं में इस गतिशील बनावट को उत्पन्न करने की एक विधि प्रस्तावित की है। अणुओं को स्वयं संरेखित करने के प्रयास के बजाय, वे अणु के कोणीय संवेग (angular momentum)—जो उसके घूमने की गति का माप है—को अणु की अपनी संरचना के भीतर एक विशिष्ट अक्ष के साथ उन्मुख करने का सुझाव देते हैं। ऐसा करके, एक अकाइरल अणु थोड़े समय के लिए काइरल व्यवहार कर सकता है। शोधकर्ता प्रदर्शित करते हैं कि इसे विद्युत चुम्बकीय स्पंदों (electromagnetic pulses) के एक सटीक अनुक्रम से प्राप्त किया जा सकता है। उनका कार्य, जो एक नए अध्ययन में विस्तृत है, इस बात की सटीक स्थितियाँ बताता है कि एक घूमते हुए अणु की सममिति को कैसे तोड़ा जाए और फोटोइलेक्ट्रॉन सर्कुलर डाइक्रोइज़्म (photoelectron circular dichroism) का उपयोग करके इस प्रेरित बनावट का पता लगाने का तरीका प्रदान करता है, जो एक ऐसी तकनीक है जो यह मापती है कि इलेक्ट्रॉनों को अणु से कैसे बाहर निकाला जाता है।
इस खोज का मूल आधार अणु के आकार और उसके स्पिन (spin) के बीच का संबंध है। किसी अणु के गतिशील रूप से काइरल होने के लिए, उसका घूर्णन एक ऐसे अक्ष के चारों ओर होना चाहिए जो उसकी आंतरिक दर्पण सममिति को तोड़ता हो। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल अणु को घुमाना पर्याप्त नहीं है; स्पिन को अणु के अपने संदर्भ ढांचे के सापेक्ष एक विशिष्ट तरीके से उन्मुख होना चाहिए। इसे प्राप्त करने के लिए, उन्होंने निर्धारित किया कि प्रकाश या विकिरण का एक एकल स्पंद अपर्याप्त है। इसके बजाय, अणु पर विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा के कम से कम तीन स्पंदों से प्रहार किया जाना चाहिए, जिनमें से प्रत्येक एक-दूसरे के लंबवत ध्रुवीकृत (polarized) हो। यह त्रि-आयामी "धक्का" (kick) अंतरिक्ष की निरंतर सममिति और अणु की आंतरिक सममिति को एक साथ तोड़ने के लिए आवश्यक है, जिससे कोणीय संवेग एक विशिष्ट आणविक अक्ष के साथ संरेखित हो जाता है।
टीम ने इस त्रि-आयामी धक्के को देने के दो अलग-अलग तरीकों का पता लगाया। पहले तरीके में तीन माइक्रोवेव स्पंदों का उपयोग शामिल है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने इस तकनीक को कार्बोनिल क्लोराइड फ्लोराइड नामक अणु पर लागू किया। तीन परस्पर लंबवत ध्रुवीकृत माइक्रोवेव स्पंदों का उपयोग करके, उन्होंने सफलतापूर्वक एक सुसंगत तरंग पैकेट (coherent wave packet) बनाया जहाँ अणु का घूर्णन बाएं-हाथ और दाएं-हाथ की अवस्थाओं के बीच दोलन (oscillate) करता है। इस दोलन की दिशा को स्पंदों के समय या क्रम को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता था। यह दृष्टिकोण एक ऐसी कायरैलिटी उत्पन्न करता है जो तेजी से आगे-पीछे बदलती रहती है, लेकिन यह एक स्पष्ट प्रदर्शन है कि इस बनावट को प्रेरित और नियंत्रित किया जा सकता है।
दूसरा तरीका, जिसे शोधकर्ताओं का मानना है कि कुछ अनुप्रयोगों के लिए अधिक व्यावहारिक है, ऑप्टिकल और टेराहर्ट्ज़ (terahertz) स्पंदों के संयोजन का उपयोग करता है। इस परिदृश्य में, उन्होंने फॉर्मलडिहाइड अणुओं पर प्रभाव का अनुकरण किया। यहाँ, दृश्य प्रकाश के दो छोटे स्पंदों और एक टेराहर्ट्ज़ स्पंद का उपयोग एकदिशीय घूर्णन (unidirectional rotation) प्रेरित करने के लिए किया गया था। माइक्रोवेव पद्धति के विपरीत, जहाँ बनावट दोलन करती है, यह तकनीक एक ऐसी अवस्था बनाती है जहाँ अणु एक ही दिशा में घूमता है और स्पंदों के गुजरने के बाद भी एक स्थायी बनावट बनाए रखता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह प्रेरित कायरैलिटी स्पंद अनुक्रम के दौरान लगभग 11 प्रतिशत तक पहुँच सकती है, और बाद में लगभग 0.5 प्रतिशत के पता लगाने योग्य स्तर पर स्थिर हो जाती है। यह स्थायी अवस्था महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वास्तव में काइरल अणुओं के व्यवहार की नकल करती है, लेकिन इसे पूरी तरह से एक ऐसे अणु के माध्यम से उत्पन्न किया गया है जो स्वाभाविक रूप से सममित है।
यह पुष्टि करने के लिए कि यह गतिशील कायरैलिटी वास्तव में मौजूद थी और केवल एक सैद्धांतिक संभावना नहीं थी, शोधकर्ताओं ने फोटोइलेक्ट्रॉन सर्कुलर डाइक्रोइज़्म नामक एक विशिष्ट पहचान विधि का प्रस्ताव दिया। इस तकनीक में इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने के लिए अत्यधिक पराबैंगनी (extreme ultraviolet) प्रकाश के एक विलंबित स्पंद से टकराना शामिल है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन इलेक्ट्रॉनों के उड़ने की दिशा सीधे अणु के घूर्णन की बनावट पर निर्भर करती है। यदि अणु "बाएं-हाथ" के तरीके से घूम रहा है, तो इलेक्ट्रॉन अधिमानतः एक दिशा में निकलते हैं; यदि यह "दाएं-हाथ" के तरीके से घूम रहा है, तो वे दूसरी दिशा में उड़ते हैं। उनके सिमुलेशन ने पुष्टि की कि यह संकेत शुद्ध रूप से घूर्णी, टाइम-ऑड कायरैलिटी का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील है, जो इसे बेतरतीब ढंग से उन्मुख गैस के बैकग्राउंड शोर से स्पष्ट रूप से अलग करता है।
यह अध्ययन स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि एक एकल स्पंद या अणुओं का सरल संरेखण इस प्रभाव को पैदा करने के लिए पर्याप्त है। यह तर्क देता है कि तीन लंबवत क्षेत्रों के विशिष्ट संयोजन के बिना, सिस्टम की सममिति खंडित नहीं होती है, और बेतरतीब ढंग से उन्मुख अणुओं के समूह में कोई शुद्ध बनावट उत्पन्न नहीं की जा सकती है। इसके अलावा, शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि इस दृष्टिकोण के लिए अणुओं को प्रयोगशाला में किसी विशिष्ट दिशा में लॉक करने या संरेखित करने की आवश्यकता नहीं है, जो इस तरह की घटनाओं का अध्ययन करने के पिछले प्रयासों में एक बड़ी बाधा रही है। अणु के आंतरिक घूर्णन के साथ काम करके, यह विधि यह जांचने का एक नया मार्ग खोलती है कि कैसे केवल गति रासायनिक व्यवहार को निर्धारित कर सकती है।
यह कार्य संरचनात्मक कायरैलिटी (जो परमाणुओं में अंतर्निहित है) और गतिशील कायरैलिटी (जो परमाणुओं की गति से निर्मित होती है) के बीच अंतर करने का एक नया तरीका सुझाता है। यह टाइम-ऑड चिरोप्टिकल (chiroptical) घटनाओं का अध्ययन करने के लिए एक संभावित उपकरण प्रदान करता है, जो समय की दिशा पर निर्भर करती हैं। हालांकि प्रस्तुत परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित हैं, शोधकर्ता नोट करते हैं कि इन प्रयोगों को करने के लिए आवश्यक उपकरण—माइक्रोवेव जनरेटर, ऑप्टिकल लेजर और टेराहर्ट्ज़ स्रोत—पहले से ही उपलब्ध हैं। यदि इन सिमुलेशन को प्रयोगशाला में साकार किया जा सकता है, तो यह घूर्णन के माध्यम से आणविक अंतःक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए एक शक्तिशाली नया ढांचा प्रदान करेगा, जिससे संभवतः दर्पण-छवि वाले अणुओं को अलग करने या ऐसी रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करने के नए तरीके मिलेंगे जो अन्यथा दोनों रूपों के यादृच्छिक मिश्रण को उत्पन्न करती हैं।
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