Highly elastic collisions of ultracold asymmetric top molecules in a static electric field
यह शोध पत्र प्रस्तावित करता है कि अतिशीत (ultracold) प्रतिक्रियाशील CaNH अणुओं पर स्थैतिक विद्युत क्षेत्रों को लागू करने से क्षयकारी टक्करों (lossy collisions) को दबाया जा सकता है और लोचदार टक्करों (elastic collisions) को तीन आदेशों के परिमाण (three orders of magnitude) तक बढ़ाया जा सकता है, जिससे उन्नत क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए असममित शीर्ष (asymmetric top) अणुओं के क्वांटम डिजेनरेट गैसों को बनाने हेतु इवैपोरेटिव कूलिंग (evaporative cooling) एक व्यवहार्य मार्ग के रूप में स्थापित होता है।
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ब्रह्मांड के सबसे ठंडे छोरों में, जहाँ तापमान इतना कम हो जाता है कि परमाणु और अणु एक सुस्त, स्वप्निल गरिमा के साथ चलते हैं, वहाँ भौतिकी की एक अजीब नई दुनिया उभरती है। यहाँ, ऊष्मा का वह अराजक जमावड़ा जो हमारे रोजमर्रा के अनुभव को परिभाषित करता है, एक ऐसी अवस्था में बदल जाता है जहाँ कण सूक्ष्म बिलियर्ड बॉल्स (billiard balls) के बजाय तरंगों की तरह व्यवहार करते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन जटिल अणुओं के ऐसे "अल्ट्राकोल्ड" (अतिशीत) नमूनों को बनाने की कोशिश कर रहे हैं, न केवल अणुओं का अध्ययन करने के लिए, बल्कि क्वांटम कंप्यूटरों के लिए निर्माण खंडों के रूप में उपयोग करने और प्रकृति के मौलिक नियमों का परीक्षण करने के लिए। चुनौती हमेशा यह रही है कि जबकि सरल अणुओं को ठंडा किया जा सकता है, जटिल अणु पास आते ही आपस में चिपकने या रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करने लगते हैं, जिससे अध्ययन होने से पहले ही नाजुक नमूना नष्ट हो जाता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता है जिससे ये अणु आपस में टकराकर टूटने या नष्ट होने के बजाय, रबर की गेंदों की तरह सफाई से टकराकर वापस उछल सकें। इसके लिए एक सूक्ष्म संतुलन की आवश्यकता है: अणुओं को एक शांत, व्यवस्थित अवस्था में बसने के लिए पर्याप्त रूप से परस्पर क्रिया करनी चाहिए, लेकिन इतनी मजबूती से नहीं कि वे टकराकर गायब हो जाएं।
एक शोधकर्ता ने अब कैल्शियम एमाइड (calcium amide), या CaNH2 नामक एक विशिष्ट प्रकार के अणु का उपयोग करके इस संतुलन को प्राप्त करने के लिए एक विधि प्रस्तावित की है। यह अणु, जो डंबल जैसे दिखने वाले सरल अणुओं के विपरीत, एक टेढ़े-मेढ़े पिरामिड के आकार का है, जिसे भौतिकी में "एसिमेट्रिक टॉप" (asymmetric top) कहा जाता है। यह असामान्य आकार अणु को एक अनूठी आंतरिक विशेषता देता है: दो अवस्थाएं जो ऊर्जा में लगभग समान हैं लेकिन जिनके गुण विपरीत हैं, बिल्कुल एक सिक्के की तरह जो सिर या पूंछ पर आ सकता है। बाहरी प्रभाव की अनुपस्थिति में, ये दो अवस्थाएं इतनी करीब होती हैं कि वे स्वाभाविक रूप से आपस में मिल जाती हैं। शोधकर्ता ने पाया कि एक स्थिर विद्युत क्षेत्र (electric field) लागू करके, वे इन अणुओं को एक ऐसी अवस्था में धकेल सकते हैं जहाँ वे एक-दूसरे के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हो जाते हैं। यह संवेदनशीलता एक लंबी दूरी की शक्ति पैदा करती है जो अणुओं को धीरे से एक साथ खींचती है, जिससे वे बिना फंसे या रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया किए आपस में टकरा सकते हैं और ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकते हैं।
इस खोज का मूल इस बात में निहित है कि ये अणु एक विशिष्ट उत्तेजित अवस्था (excited state) में तैयार होने और विद्युत क्षेत्र के अधीन होने पर कैसे व्यवहार करते हैं। शोधकर्ता ने गणना की कि जब विद्युत क्षेत्र लगाया जाता है, तो अणु एक मजबूत विद्युत द्विध्रुव (electric dipole) विकसित करते हैं, जिसका अर्थ है कि एक सिरा थोड़ा धनात्मक और दूसरा थोड़ा ऋणात्मक हो जाता है। यह अणुओं को छोटे चुंबकों में बदल देता है जो दूर से एक-दूसरे को महसूस कर सकते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, कैल्शियम एमाइड अणु का अनूठा आकार एक अदृश्य बाधा बनाता है जो अणुओं को बहुत करीब जाने से रोकता है। भले ही विद्युत क्षेत्र उन्हें एक साथ खींचता है, यह बाधा उन्हें छूने से ठीक पहले उन्हें पीछे धकेल देती है, जिससे वे उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं से सुरक्षित रहते हैं जो आमतौर पर अल्ट्राकोल्ड नमूनों को नष्ट कर देती हैं। परिणाम एक ऐसी स्थिति है जहाँ अणु लोचदार रूप से (elastically) टकराते हैं, एक हज़ार या उससे अधिक के कारक से विनाशकारी, नुकसानदेह टक्करों को दबाते हुए, उच्च दक्षता के साथ एक-दूसरे से टकराकर वापस उछलते हैं।
अध्ययन ने यह भी दिखाया कि यदि विद्युत क्षेत्र को और बढ़ाया जाता है, तो अणुओं के बीच का सौम्य खिंचाव उन्हें जोड़ों में बांधने के लिए पर्याप्त मजबूत हो सकता है। ये स्थायी रासायनिक बंधन नहीं हैं, बल्कि विद्युत क्षेत्र द्वारा ही जोड़े गए कमजोर, अस्थायी साझेदार हैं। शोधकर्ता ने पहचाना कि ये जोड़े, जिनमें कुल आठ परमाणु होते हैं, एक नए प्रकार के बंधित अवस्था (bound state) का निर्माण करते हैं जो इतने जटिल अणुओं में पहले कभी नहीं देखी गई थी। यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सुझाव देता है कि उसी तंत्र का उपयोग और भी अधिक जटिल संरचनाओं को बनाने के लिए किया जा सकता है, जो संभावित रूप से पदार्थ के नए रूपों को बनाने का मार्ग खोलता है जहाँ अणु नियंत्रित तरीकों से जुड़े होते हैं।
शायद इस कार्य का सबसे व्यावहारिक परिणाम "इवैपोरेटिव कूलिंग" (evaporative cooling) की क्षमता है। अल्ट्राकोल्ड भौतिकी की दुनिया में, यह उस गैस को उसकी निम्नतम ऊर्जा अवस्था तक ठंडा करने के लिए उपयोग की जाने वाली मानक तकनीक है, जिसे क्वांटम डिजेनरेसी (quantum degeneracy) कहा जाता है। इसके लिए काम करने हेतु, गैस के कणों को बार-बार टकराना चाहिए और पर्यावरण में ऊर्जा खोए बिना एक-दूसरे से टकराकर वापस उछलना चाहिए। शोधकर्ता ने दिखाया कि कैल्शियम एमाइड के लिए, इन सहायक उछालों और विनाशकारी टकरावों का अनुपात इतना अधिक है कि इवैपोरेटिव कूलिंग संभव है। इसका मतलब है कि वैज्ञानिक इन अणुओं के ऐसे नमूने को ले सकते हैं जिसे पहले से ही लेजर द्वारा ठंडा किया गया है, और फिर उन्हें और भी अधिक ठंडा करने के लिए टकरावों का उपयोग कर सकते हैं, जिससे वे ऐसे तापमान तक पहुँच सकें जहाँ वे एक एकल क्वांटम इकाई के रूप में व्यवहार करते हैं।
शोधकर्ता ने केवल कैल्शियम एमाइड को ही नहीं देखा; उन्होंने स्ट्रोंटियम (strontium) युक्त एक समान अणु, जिसे SrNH2 कहा जाता है, पर भी अपनी गणना लागू की और पाया कि वहां भी समान अनुकूल व्यवहार मिलता है। यह सुझाव देता है कि यह विधि केवल एक अणु तक सीमित कोई संयोग नहीं है, बल्कि क्षारीय मृदा धातुओं (alkaline earth metals) और एमाइड समूहों से बने अणुओं के एक पूरे वर्ग का सामान्य गुण है। यह अध्ययन विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन पर निर्भर करता है जो यह मानचित्रण करता है कि ये अणु कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, न कि भौतिक प्रयोगों पर, लेकिन गणनाएँ कठोर हैं और इसमें शामिल जटिल क्वांटम यांत्रिकी को ध्यान में रखा गया है। परिणाम संकेत देते हैं कि एक किलोवोल्ट प्रति सेंटीमीटर से कम के विद्युत क्षेत्र के साथ, वैज्ञानिक इन जटिल अणुओं की स्थिर, अल्ट्राकोल्ड गैसें बना सकते हैं।
यह कार्य अल्ट्राकोल्ड केमिस्ट्री के क्षेत्र में अगले कदम के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करके कि इन एसिमेट्रिक अणुओं को नुकसान के विरुद्ध स्थिर किया जा सकता है और फिर भी वे अत्यधिक संवादात्मक बने रह सकते हैं, शोधकर्ता ने उस प्रमुख बाधा को हटा दिया है जिसने पहले पॉलीएटोमिक (बहुपरमाणु) अणुओं की क्वांटम डिजेनरेट गैसों के निर्माण को रोका था। यदि ये भविष्यवाणियाँ प्रयोगशाला में सही साबित होती हैं, तो यह वैज्ञानिकों को अत्यंत कम एंट्रॉपी (entropy), या विकार वाले अणुओं के समूह बनाने की अनुमति देगी। ऐसे नमूने जटिल सामग्रियों का अनुकरण करने, वर्तमान समझ से परे नई भौतिकी की खोज के लिए सटीक माप करने और क्वांटम स्तर पर रासायनिक प्रतिक्रियाओं का पता लगाने के लिए आदर्श होंगे। एक अराजक गैस से लेकर एक पूर्णतः व्यवस्थित क्वांटम तरल तक का मार्ग, जिसे कभी इन जटिल आकृतियों के लिए असंभव माना जाता था, अब पहुंच के भीतर दिखाई देता है।
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