Measuring chiral phonons

ठोस पदार्थ स्थिर ब्लॉक नहीं होते; सबसे कठोर पत्थर भी परमाणुओं का एक हलचल भरा शहर है, जो लगातार डगमगाते और कंपन करते रहते हैं। भौतिकी में, इन सामूहिक कंपनों को फोनोन (phonons) कहा जाता है। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने इन कंपनों को सरल आगे-पीछे की गतिविधियों के रूप में माना, जो ऊर्जा तो ले जाते थे लेकिन उनमें स्पिन (spin) नहीं होता था। हालाँकि, शोध के एक बढ़ते समूह ने खुलासा किया है कि कुछ विशेष सामग्रियों में, ये परमाणु कंपन मुड़ (twist) सकते हैं। जब परमाणु कंपन करते समय घूमते हैं, जिससे विशिष्ट समरूपता (symmetries) टूट जाती है, तो वे 'कायरल फोनोन' (chiral phonons) बनाते हैं। ये घुमावदार कंपन कोणीय संवेग (angular momentum) नामक एक गुण ले जाते हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक घूमती हुई लट्टू, और वे प्रकाश के साथ अलग तरह से अंतःक्रिया करते हैं, चाहे वह प्रकाश दक्षिणावर्त (clockwise) या वामावर्त (counter-clockwise) घूम रहा हो। यह खोज केवल सूक्ष्म जगत की एक जिज्ञासा नहीं है; यह नई तकनीकों के द्वार खोलती है। यदि वैज्ञानिक इन घुमावदार कंपनों को नियंत्रित कर सकें, तो वे संभावित रूप से ऐसे तेज़ कंप्यूटर बना सकते हैं जो चार्ज के बजाय स्पिन का उपयोग करते हैं, ऊष्मा को स्थानांतरित करने के अधिक कुशल तरीके बना सकते हैं, या यहाँ तक कि रासायनिक प्रतिक्रियाओं को निर्देशित कर सकते हैं ताकि केवल एक विशिष्ट अणु का संस्करण ही प्राप्त हो सके।

उत्साह के बावजूद, इन घुमावदार कंपनों को मापना कठिन रहा है। वैज्ञानिक समुदाय अलग-अलग साइलो (silos) में काम कर रहा था, जहाँ रसायन विज्ञान, भौतिकी और सामग्री विज्ञान के विशेषज्ञ एक ही घटना को देखने के लिए अलग-अलग उपकरणों का उपयोग कर रहे थे, अक्सर यह जाने बिना कि वे एक ही चीज़ का अध्ययन कर रहे हैं। एक नया परिप्रेक्ष्य पत्र (perspective paper) इन बिखरे हुए प्रयासों को एक साथ लाता है, जो एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है कि कायरल फोनोन का पता कैसे लगाया जाए और वर्तमान उपकरण क्या कर सकते हैं और क्या नहीं। लेखक, जो एयर फोर्स रिसर्च लैबोरेटरी, राइस यूनिवर्सिटी और मिशिगन विश्वविद्यालय सहित संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम है, तर्क देते हैं कि आगे बढ़ने के लिए इस क्षेत्र को एक एकीकृत दृष्टिकोण की आवश्यकता है। वे मौजूदा विधियों की समीक्षा करते हैं, उनकी खूबियों और खामियों को समझाते हैं, और अधिक संवेदनशील माप की दिशा में एक मार्ग प्रस्तावित करते हैं जो इन अद्वितीय कंपनों की पूर्ण क्षमता को अनलॉक कर सके।

यह शोध पत्र शुरुआत में यह स्पष्ट करता है कि ये घुमावदार कंपन कहाँ निवास करते हैं। वे स्वाभाविक रूप से कायरल (chiral) सामग्रियों में पाए जाते हैं, जैसे कि बाएं हाथ या दाएं हाथ के अमीनो एसिड से बने क्रिस्टल, जो जीवन के निर्माण खंड हैं। लेकिन वे उन सामग्रियों में भी मौजूद होते हैं जो बाहर से पूरी तरह सममित (symmetrical) दिखती हैं। इन अकाइरल (achiral) सामग्रियों में, परमाणु अस्थायी रूप से मुड़ सकते हैं यदि कंपन एक क्षण के लिए समरूपता को तोड़ देता है, या यदि कोई बाहरी बल जैसे कि चुंबकीय क्षेत्र या प्रकाश का एक विशिष्ट पल्स गति को प्रेरित करता है। शोधकर्ता नोट करते हैं कि हजारों क्रिस्टल संरचनाओं के हालिया विश्लेषण से पता चलता है कि कायरल फोनोन पहले की तुलना में कहीं अधिक सामान्य हैं, जो सभी ज्ञात क्रिस्टलीय यौगिकों के लगभग एक चौथाई भाग में दिखाई देते हैं। इन संभावित सामग्रियों का यह विशाल परिदृश्य स्पिंट्रोनिक्स, थर्मल प्रबंधन और क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए भविष्य के अनुप्रयोगों में सटीक माप की क्षमता को महत्वपूर्ण बनाता है।

इन मायावी कंपनों को खोजने के लिए, वैज्ञानिकों ने कई तकनीकें विकसित की हैं, जिनमें से प्रत्येक के अपने लाभ हैं। सबसे स्थापित तरीकों में से एक में सामग्री पर गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश (circularly polarized light) डालना शामिल है। क्योंकि कायरल फोनोन मुड़ते हैं, वे बाएं हाथ और दाएं हाथ के प्रकाश को अलग तरह से अवशोषित करते हैं। इस अंतर को मापकर, जिसे सर्कुलर डाइक्रोइज़्म (circular dichroism) कहा जाता है, शोधकर्ता इन कंपनों की उपस्थिति का पता लगा सकते हैं। यह दृश्य या इन्फ्रारेड प्रकाश की आवृत्ति पर होने वाले कंपनों के लिए अच्छा काम करता है, लेकिन धीमी, कम आवृत्ति वाले कंपनों के लिए यह बहुत कठिन हो जाता है। इनके लिए, यह पत्र टेराहर्ट्ज़ सर्कुलर डाइक्रोइज़्म (terahertz circular dichroism) नामक एक तकनीक पर प्रकाश डालता है। यह विधि दृश्य प्रकाश की तुलना में बहुत लंबी तरंगों वाले प्रकाश का उपयोग करती है, जिससे वैज्ञानिक परमाणुओं के बड़े समूहों में धीमी, सामूहिक घुमावदार गति की जांच कर सकते हैं। लेखक बताते हैं कि यह तकनीक विशेष रूप से शक्तिशाली है क्योंकि यह विभिन्न प्रकार की घुमावदार गतियों के बीच अंतर कर सकती है जो मानक मापों में समान दिखती हैं। हालाँकि, इसके लिए बड़े नमूनों की आवश्यकता होती है और यह पानी के प्रति संवेदनशील है, जो सिग्नल को अवशोषित कर लेता है, जिससे गीले जैविक नमूनों के साथ इसका उपयोग करना कठिन हो जाता है।

एक अन्य शक्तिशाली उपकरण चर्चित है, जो रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Raman spectroscopy) का एक विशेष रूप है, जहाँ प्रकाश सामग्री से टकराकर रंग बदल देता है। गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश का उपयोग करके, वैज्ञानिक बिखरे हुए प्रकाश की आवृत्ति में सूक्ष्म विभाजन (splits) देख सकते हैं। यदि परमाणु घूम रहे हैं, तो उनके साथ अंतःक्रिया करने वाला प्रकाश घुमाव की दिशा के आधार पर थोड़ा अलग रूप से विस्थापित होगा। पत्र नोट करता है कि हालांकि यह विधि सटीक है, लेकिन सिग्नल अविश्वसनीय रूप से कमजोर होता है, जिसके लिए अक्सर स्पष्ट परिणाम प्राप्त करने के लिए घंटों के माप समय की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, आवृत्ति परिवर्तन इतने छोटे होते हैं कि वे कभी-कभी मानक प्रयोगशाला उपकरणों के रिज़ॉल्यूशन से भी छोटे होते हैं। इससे निपटने के लिए, लेखक दृश्य प्रकाश के बजाय एक्स-रे (X-rays) का उपयोग करने का सुझाव देते हैं। रेजोनेंट इनइलास्टिक एक्स-रे स्कैटरिंग (resonant inelastic X-ray scattering) नामक एक तकनीक सामग्री में गहराई तक जा सकती है और बड़े ऊर्जा अंतरों को हल कर सकती है, लेकिन इसके लिए विशाल, महंगे कण त्वरकों (particle accelerators) तक पहुंच की आवश्यकता होती है, जो इसकी उपलब्धता को सीमित करता है।

समीक्षा यह भी बताती है कि वैज्ञानिक अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स का उपयोग करके इन घुमावदार कंपनों को मांग पर (on demand) कैसे बना सकते हैं। प्रकाश के एक बहुत छोटे, तीव्र विस्फोट से किसी सामग्री पर प्रहार करके, शोधकर्ता परमाणुओं को एक समन्वित तरीके से मुड़ने के लिए मजबूर कर सकते हैं। यह उन्हें वास्तविक समय में कंपनों के विकास को देखने, यह देखने की अनुमति देता है कि घुमाव सामग्री के इलेक्ट्रॉनों और चुंबकीय गुणों के साथ कैसे अंतःक्रिया करता है। कुछ प्रयोगों में, इससे यह पता चला है कि घुमावदार कंपन इतने मजबूत चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न कर सकते हैं जो पास की सामग्री के चुंबकत्व को बदल सकते हैं। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि जबकि ये गतिशील प्रयोग यह एक जीवंत चित्र प्रदान करते हैं कि कायरल फोनोन कैसे व्यवहार करते हैं, वे जटिलता भी पैदा करते हैं। यह बताना कठिन हो सकता है कि सिग्नल घूमते हुए परमाणुओं से आ रहा है या सामग्री के गर्म होने या आकार बदलने जैसे अन्य प्रभावों से।

अंततः, यह पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह क्षेत्र एक निर्णायक मोड़ पर है। व्यक्तिगत तकनीकें शक्तिशाली हैं, लेकिन वे अक्सर कहानी का केवल एक हिस्सा ही बताती हैं। लेखक तर्क देते हैं कि अगला कदम इन विधियों को मिलाना है, एक ही सामग्री का अध्ययन करने के लिए कई उपकरणों का एक साथ उपयोग करना है। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी, टेराहर्ट्ज़ माप और अल्ट्राफास्ट लेजर के परिणामों की क्रॉस-चेकिंग करके, वैज्ञानिक कायरल फोनोन की एक पूर्ण और विश्वसनीय तस्वीर बना सकते हैं। वे अधिक संवेदनशील और उपयोग में आसान उपकरणों के विकास का भी आह्वान करते हैं, जैसे कि विशेष सतहें जो नमूने को भौतिक रूप से घुमाने की आवश्यकता के बिना प्रकाश को नियंत्रित कर सकें। एक एकीकृत दृष्टिकोण और बेहतर उपकरणों के साथ, शोधकर्ताओं का मानना है कि हम जल्द ही इन घुमावदार परमाणु कंपनों की शक्ति का उपयोग करने में सक्षम होंगे, जिससे एक मौलिक प्राकृतिक जिज्ञासा को कल की प्रौद्योगिकियों के लिए एक व्यावहारिक इंजन में बदला जा सकेगा।