Ferroelastic domain switching by ultrafast photoinduced strain

हमारे चारों ओर की ठोस दुनिया एक छिपे हुए आर्किटेक्चर पर बनी है: क्रिस्टल लैटिस (crystal lattice)। कल्पना कीजिए कि परमाणु एक पूर्ण, दोहराते हुए ग्रिड में व्यवस्थित हैं, जैसे सैनिक सावधान की मुद्रा में खड़े हों। ये सैनिक कैसे खड़े हैं और उनके बीच के स्थान क्या हैं, यह निर्धारित करता है कि कोई सामग्री चुंबकीय है, विद्युत चालक है, या जानकारी याद रखने में सक्षम है। कभी-कभी, इस ग्रिड को धकेला या खींचा जा सकता है, जिससे पूरी सामग्री अपना आकार या अपना आंतरिक क्रम बदल सकती है। विभिन्न अवस्थाओं के बीच स्विच करने की यह क्षमता आधुनिक तकनीक की नींव है, हमारे फोन के मेमोरी चिप्स से लेकर हमारी कारों के सेंसर तक। दशकों से, वैज्ञानिक जानते थे कि यदि आप इस परमाणु ग्रिड के आकार को नियंत्रित कर सकें, तो आप सामग्री के गुणों को नियंत्रित कर सकते हैं। हालाँकि, ऐसा तेजी से और सटीकता से करना एक बड़ी चुनौती थी, जिसके लिए अक्सर भारी मशीनरी या धीमी, हीटिंग-आधारित विधियों की आवश्यकता होती थी जिनमें अगली पीढ़ी के उपकरणों के लिए आवश्यक सूक्ष्मता का अभाव था।

नीदरलैंड के रेडबॉड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब केवल प्रकाश की एक चमक का उपयोग करके इन आंतरिक अवस्थाओं को बदलने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने फेरोइलास्टिक क्रिस्टल (ferroelastic crystal) नामक एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो अद्वितीय है क्योंकि इसका "स्विच" वास्तव में आकार का परिवर्तन, या स्ट्रेन (strain) है। अन्य सामग्रियों के विपरीत जहाँ प्रकाश उन्हें गर्म कर सकता है या उनके चुंबकीय गुणों को अप्रत्यक्ष रूप से बदल सकता है, इन क्रिस्टल में, आकार परिवर्तन प्राथमिक घटना है। शोधकर्ता जानना चाहते थे कि क्या इन्फ्रारेड प्रकाश का एक एकल, अविश्वसनीय रूप से तेज़ पल्स क्रिस्टल लैटिस को इतना विकृत कर सकता है कि वह एक स्थिर आकार से दूसरे आकार में स्विच करने के लिए मजबूर हो जाए। उनका उत्तर एक निश्चित 'हाँ' था, जो एक सीधा मार्ग प्रकट करता है जहाँ प्रकाश एक अस्थायी दबाव पैदा करता है जो नैनोसेकंड में सामग्री की आंतरिक संरचना को पुनर्गठित कर देता है।

प्रयोग नीजमेग में एक प्रयोगशाला में आयोजित किया गया था, जिसमें इन्फ्रारेड प्रकाश के पल्स उत्पन्न करने के लिए फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर नामक एक विशेष मशीन का उपयोग किया गया था। इसका विषय लैंथेनम एल्युमिनेट (lanthanum aluminate) का एक छोटा, स्पष्ट क्रिस्टल था, जो अक्सर अन्य उच्च-तकनीकी फिल्मों के आधार के रूप में उपयोग किया जाता है। प्रयोग से पहले, क्रिस्टल एक एकल, समान अवस्था में मौजूद था, जिसमें उसका आंतरिक परमाणु ग्रिड एक विशिष्ट दिशा में संरेखित था। शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल पर इन्फ्रारेड प्रकाश का एक एकल, उच्च-ऊर्जा पल्स छोड़ा, जिसे मानव बाल की चौड़ाई के लगभग एक बिंदु पर केंद्रित किया गया था। यह पल्स अविश्वसनीय रूप से छोटा था, जो केवल कुछ ट्रिलियनवें हिस्से तक रहता था, लेकिन इसमें इतनी ऊर्जा थी कि वह क्रिस्टल लैटिस के भीतर परमाणुओं को कंपन करा सके।

इसके बाद क्या हुआ यह समय के विरुद्ध एक दौड़ थी, जिसे एक दूसरे लेजर द्वारा कैप्चर किया गया जो एक हाई-स्पीड कैमरे के रूप में कार्य कर रहा था। इन्फ्रारेड पल्स के टकराने के बाद पहले एक बिलियनवें सेकंड के भीतर, क्रिस्टल विकृत होने लगा। प्रकाश ऊर्जा ऊष्मा और गति में परिवर्तित हो गई, जिससे सामग्री के माध्यम से लहर की तरह दौड़ने वाला एक स्ट्रेन (तनाव) का तरंग बना। यह स्ट्रेन समान नहीं था; इसने खिंचाव और दबाव का एक विशिष्ट पैटर्न बनाया जो ऊपर से देखने पर चार पत्ती वाले क्लोवर (four-leaf clover) जैसा दिखता था। क्रिस्टल को कुछ दिशाओं में भौतिक रूप से खींचा जा रहा था और कुछ में धकेला जा रहा था, जिससे इसके परमाणुओं के बीच के कोण बदल रहे थे। यह विरूपण लगभग तुरंत हुआ, इससे बहुत पहले कि सामग्री ठंडी होने या स्थिर होने का समय पाती।

इस प्रारंभिक दबाव के कुछ बिलियनवें सेकंड बाद, क्रिस्टल की आंतरिक संरचना बदलने लगी। शोधकर्ताओं ने देखा कि क्रिस्टल की एकसमान अवस्था टूट गई, और उसकी जगह क्षेत्रों, या डोमेन (domains) का एक नया पैटर्न आ गया, जिनमें से प्रत्येक का ओरिएंटेशन अलग था। ये नए डोमेन ठीक वहीं दिखाई दिए जहाँ स्ट्रेन सबसे अधिक था, प्रकाश द्वारा बनाए गए चार पत्ती वाले क्लोवर पैटर्न का अनुसरण करते हुए। क्रिस्टल ने प्रभावी रूप से उस तनाव को समायोजित करने के लिए अपना आकार बदल लिया था, जो लेजर द्वारा बनाई गई अस्थायी स्थितियों के तहत अधिक स्थिर था। यह स्विचिंग एक धीमी, क्रमिक प्रक्रिया नहीं थी; यह तेजी से हुई, जो प्रारंभिक पल्स के लगभग चौदह बिलियनवें सेकंड के आसपास चरम पर थी, और फिर अगले कुछ माइक्रोसेकंड में क्रिस्टल के अपने मूल अवस्था में लौटने के साथ धीरे-धीरे कम हो गई।

टीम ने स्विच को ठीक से समझने के लिए समय और आकार के बदलावों का सावधानीपूर्वक विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि नए डोमेन केवल तभी दिखाई दिए जब स्ट्रेन एक निश्चित स्तर तक पहुँच गया, जिससे पुष्टि हुई कि लैटिस का भौतिक विरूपण ही स्विच का प्रत्यक्ष कारण था। उन्होंने अन्य संभावनाओं को खारिज कर दिया, जैसे कि प्रकाश केवल सामग्री को गर्म कर रहा था जिससे वह फेज बदल दे, या प्रकाश इलेक्ट्रॉनों के साथ इस तरह से परस्पर क्रिया कर रहा था जो लैटिस को दरकिनार कर दे। इसके बजाय, साक्ष्य एक यांत्रिक कारण की ओर इशारा करते थे: प्रकाश ने एक स्ट्रेन फील्ड बनाया, और क्रिस्टल ने उस स्ट्रेन को कम करने के लिए अपने परमाणुओं को पुनर्व्यवस्थित करके प्रतिक्रिया दी। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि लेजर से निकलने वाली ऊष्मा क्रिस्टल में कैसे फैलेगी, और इन मॉडलों ने प्रयोगात्मक अवलोकनों से मेल खाया, जिससे पता चला कि प्रकाश के कारण होने वाला थर्मल एक्सपेंशन (तापीय प्रसार) आवश्यक स्ट्रेन उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त था।

यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि प्रकाश का उपयोग अत्यधिक गति और सटीकता के साथ किसी सामग्री की यांत्रिक अवस्था को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। अतीत में, इन फेरोइलास्टिक अवस्थाओं को संचालित करने के लिए भौतिक दबाव या धीमी तापीय परिवर्तनों की आवश्यकता होती थी, जिसने यह सीमित कर दिया था कि स्विच कितनी तेजी से और कितने छोटे हो सकते हैं। एक लेजर पल्स का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि स्विच कुछ बिलियनवें सेकंड में हो सकता है, एक ऐसा समय-पैमाना जो बहुत तेज़ डेटा स्टोरेज और प्रोसेसिंग तकनीकों के द्वार खोलता है। इस विधि की स्थानिक सटीकता भी उल्लेखनीय है; नए डोमेन ठीक वहीं बने जहाँ प्रकाश टकराया था, जिससे पता चलता है कि भविष्य के उपकरणों को क्रिस्टल पर प्रकाश के पैटर्न बनाकर विशिष्ट आकार और संरचनाएं बनाई जा सकती हैं।

यह अध्ययन सामग्री के आकार और उसके अन्य गुणों के बीच घनिष्ठ संबंध को भी उजागर करता है। चूंकि क्रिस्टल का आंतरिक क्रम उसके आकार से जुड़ा है, इसलिए प्रकाश के साथ आकार को बदलना अंततः उन अन्य सामग्रियों के चुंबकीय या विद्युत गुणों को स्विच करने के लिए उपयोग किया जा सकता है जो इस क्रिस्टल के ऊपर स्थित हैं। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि यह तंत्र अन्य प्रकार के क्रिस्टल के लिए भी काम कर सकता है, बशर्ते कि प्रकाश को सही प्रकार का स्ट्रेन बनाने के लिए ट्यून किया जाए। जबकि वर्तमान प्रयोग एक एकल पल्स का उपयोग करके एक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' था, परिणाम बताते हैं कि पदार्थ को नियंत्रित करने के लिए एक सामान्य मार्ग उपलब्ध है, जो सरल हीटिंग से आगे बढ़कर सीधे यांत्रिक हेरफेर की ओर ले जाता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल यह समझने तक सीमित नहीं हैं कि क्रिस्टल कैसे व्यवहार करते हैं। यह उन इंजीनियरों और वैज्ञानिकों के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है जो तेज़, छोटे और अधिक कुशल उपकरण बनाने की कोशिश कर रहे हैं। यदि किसी सामग्री के आकार को प्रकाश की एक चमक से स्विच किया जा सकता है, तो उस आकार में संग्रहीत जानकारी को ऐसी गति से लिखा और मिटाया जा सकता है जो वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक्स के बराबर नहीं है। शोधकर्ताओं ने यह दावा नहीं किया है कि उन्होंने अभी तक एक कार्यशील उपकरण बनाया है, लेकिन उन्होंने इसे संभव बनाने के लिए आवश्यक मौलिक भौतिकी का प्रदर्शन किया है। उन्होंने दिखाया कि लैटिस, जो ठोस दुनिया का कंकाल है, को लेजर की लय पर नचाया जा सकता है, जादू या रहस्य के माध्यम से नहीं, बल्कि प्रकाश-प्रेरित स्ट्रेन के सीधे, भौतिक बल के माध्यम से।

अंत में, प्रयोग कारण और प्रभाव का एक स्पष्ट प्रदर्शन था। प्रकाश के एक पल्स ने क्रिस्टल पर प्रहार किया, क्रिस्टल विकृत हुआ, और विरूपण ने क्रिस्टल को उसके आंतरिक राज्य को बदलने के लिए मजबूर किया। समय सटीक था, पैटर्न अनुमानित था, और तंत्र सीधा था। क्रिस्टल को वास्तविक समय में बदलते हुए देखकर, शोधकर्ताओं ने प्रकाश द्वारा पदार्थ को नियंत्रित करने के अमूर्त विचार और परमाणुओं के नई स्थितियों में जाने की ठोस वास्तविकता के बीच के अंतर को पाट दिया। यह कार्य सुझाव देता है कि सामग्रियों को नियंत्रित करने का भविष्य जटिल इलेक्ट्रॉनिक सर्किट या भारी मशीनरी में नहीं, बल्कि केंद्रित प्रकाश की किरण के सरल, सुरुचिपूर्ण अनुप्रयोग में हो सकता है, जो ठोस दुनिया के ताने-बाने को आकार देता है।