A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

यहाँ वर्णित कार्य को समझने के लिए, व्यक्ति को पहले भौतिकी के एक सरल लेकिन शक्तिशाली विचार को समझना होगा: एक अणु के वास्तविक स्वरूप को देखने के लिए, आपको उसे हिलने-डुलने से रोकना होगा। प्राकृतिक दुनिया में, परमाणु और अणु निरंतर, उन्मत्त गति में होते हैं, इतनी तेज़ी से टकराते और घूमते हैं कि उनके आंतरिक संकेत आपस में मिल जाते हैं। वैज्ञानिक इस समस्या को हल करने के लिए 'मैट्रिक्स आइसोलेशन' नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। वे एक विशिष्ट अणु को नियॉन जैसे एक हानिरहित, अक्रिय गैस के ठोस ब्लॉक के भीतर फँसा देते हैं, और उस ब्लॉक को गहरे अंतरिक्ष से भी अधिक ठंडे तापमान पर जमा देते हैं। इस जमे हुए, कठोर पिंजरे में, अणु को पूरी तरह से स्थिर रखा जाता है, जिससे शोधकर्ता अत्यंत सटीकता के साथ उसके व्यवहार का अध्ययन कर पाते हैं। यह विधि विशेष रूप से इलेक्ट्रॉन के एक रहस्यमयी गुण, 'इलेक्ट्रिक डाइपोल मोमेंट' (विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण) की खोज के लिए मूल्यवान है। यदि यह गुण मौजूद है, तो यह ब्रह्मांड के मौलिक नियमों के बारे में हमारी समझ को हिलाकर रख देगा, लेकिन यह इतना सूक्ष्म है कि इसे पकड़ने के लिए सबसे शांत, स्थिर वातावरण की आवश्यकता होती है।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब एक नया यंत्र बनाया है जो विशेष रूप से बेरियम मोनोफ्लोराइड नामक अणु के लिए इन अति-शीतल, जमे हुए पिंजरों को बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह अणु इस खोज के लिए एक प्रमुख उम्मीदवार है क्योंकि इसका भारी बेरियम परमाणु उन सूक्ष्म प्रभावों को बढ़ाता है जिन्हें वैज्ञानिक खोज रहे हैं। शोधकर्ताओं ने एक परिष्कृत वैक्यूम चैंबर (निर्वात कक्ष) बनाया है जो इन क्रिस्टल उगाने के लिए एक प्रयोगशाला के रूप में कार्य करता है। इसके अंदर, वे बेरियम फ्लोराइड के एक ठोस लक्ष्य पर उच्च शक्ति वाली लेज़र से प्रहार करते हैं, जिससे परमाणुओं और अणुओं का एक बादल बनता है। इस बादल को फिर ठंडी गैस की एक धारा द्वारा—या तो नियॉन या हाइड्रोजन के एक विशेष रूप द्वारा—एक ऐसे कक्ष में बहाकर ले जाया जाता है जहाँ यह एक नीलम (सैफायर) प्लेट पर गिरता है। इस प्लेट को एक यांत्रिक रेफ्रिजरेटर द्वारा 3.2 केल्विन के चौंका देने वाले तापमान तक ठंडा किया जाता है, जो परम शून्य (absolute zero) से थोड़ा ऊपर का तापमान है। इस अत्यधिक ठंड में, गैस के अणु तुरंत जम जाते हैं, जिससे एक ठोस क्रिस्टल बनता है जो बेरियम मोनोफ्ऑक्साइड को अपने भीतर कैद कर लेता है।

जो इस नए उपकरण को अद्वितीय बनाता है, वह है इसकी बिना वैक्यूम तोड़े या बिना गर्म किए जमे हुए नमूने को घुमाने की क्षमता। एक बार जब क्रिस्टल विकसित हो जाता है, तो शोधकर्ता प्लेट को विभिन्न उपकरणों की ओर घुमा सकते हैं। वे क्रिस्टल के माध्यम से लेज़र चमका सकते हैं ताकि यह देख सकें कि वह कितनी रोशनी सोखता है, या वे इसे उस दर्पण की ओर मोड़ सकते हैं जो उस प्रकाश को एकत्र करता है जिससे क्रिस्टल चमकता है। यह लचीलापन उन्हें एक ही एकल क्रिस्टल का कई तरीकों से अध्ययन करने की अनुमति देता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उनके माप सुसंगत हैं और अलग-अलग नमूनों के बीच के अंतर से प्रभावित नहीं हैं। इस सेटअप का उपयोग करते हुए, टीम ने बेरियम मोनोफ्लोराइड से युक्त नियॉन के क्रिस्टल सफलतापूर्वक उगाए और पुष्टि की कि अणु फंसे हुए और स्थिर थे। जब उन्होंने क्रिस्टल पर एक विशिष्ट लेज़र प्रकाश डाला, तो अणुओं ने ऊर्जा को अवशोषित किया और फिर उसे चमक, या 'फ्लोरेसेंस' (दीप्ति) के रूप में पुन: उत्सर्जित किया। इस चमक का विश्लेषण करके, उन्होंने अणुओं की विशिष्ट ऊर्जा अवस्थाओं की पहचान की, जिससे पुष्टि हुई कि नियॉन क्रिस्टल का वातावरण गैस चरण (gas phase) के समान व्यवहार करता है, जो सटीक माप के लिए बिल्कुल आवश्यक है।

शोधकर्ताओं ने एक अलग प्रकार की गैस, हाइड्रोजन के एक विशेष रूप जिसे 'पारा-हाइड्रोजन' कहा जाता है, के साथ भी इस प्रणाली का परीक्षण किया। जबकि नियॉन ने अच्छा काम किया, हाइड्रोजन सैद्धांतिक रूप से इन प्रयोगों के लिए और भी बेहतर है क्योंकि यह हल्का है और फंसे हुए अणुओं के साथ कम परस्पर क्रिया करता है। टीम ने बेरियम मोनोफ्लाइड को कूलिंग गैस के रूप में उपयोग करके सफलतापूर्वक उत्पादन किया, जो इस बेहतर माध्यम में क्रिस्टल उगाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण पहला कदम है। हालाँकि, अध्ययन ने एक ऐसी चुनौती को भी उजागर किया जिसे भविष्य के प्रयोगों में प्रबंधित किया जाना चाहिए। जब लेज़र प्रकाश बहुत तेज़ था या क्रिस्टल अत्यंत ठंडा था, तो अणुओं से निकलने वाली चमक का संकेत तेजी से फीका पड़ने लगा। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि यह स्वयं अणुओं की विफलता नहीं थी, बल्कि एक अस्थायी प्रभाव था जहाँ तीव्र प्रकाश या स्थानीय ताप के कारण अणु एक क्षण के लिए चमकना बंद कर देते हैं। उन्होंने पाया कि यह फीका पड़ने वाला प्रभाव तापमान गिरने और लेज़र की शक्ति बढ़ने के साथ और अधिक प्रबल हो जाता है।

बेरियम मोनोफ्लाइड के अलावा, टीम ने देखा कि उनकी लेज़र ने तटस्थ बेरियम परमाणुओं को भी उत्पन्न किया, जो क्रिस्टल में फंसे हुए थे और अपनी अलग रंग की चमक बिखेर रहे थे। इससे पुष्टि हुई कि लेज़र प्रहार करने की प्रक्रिया विभिन्न प्रजातियों का एक मिश्रण बनाती है, जो सभी जमे हुए ब्लॉक के भीतर अंततः समा जाते हैं। चमक की तीव्रता को मापकर, वैज्ञानिकों ने क्रिस्टल में फंसे बेरियम मोनोफ्लाइड अणुओं की संख्या का अनुमान लगाया, जिसमें घनत्व 5 गुणा 10 की घात 13 अणुओं प्रति वर्ग सेंटीमीटर के क्रम में पाया गया। यह नया यंत्र, अपने घूमने योग्य नमूने और 3.2 केल्विन तक पहुँचने की क्षमता के साथ, भविष्य के अध्ययनों के लिए एक मजबूत मंच प्रदान करता है। यह सिद्ध करता है कि वैज्ञानिक इन नाजुक क्रिस्टल को उगा सकते हैं, उनके वातावरण को नियंत्रित कर सकते हैं, और इलेक्ट्रॉन के इलेक्ट्रिक डाइपोल मोमेंट की जांच करने के सटीक कार्य को शुरू कर सकते हैं, जो हमें भौतिकी के सबसे गहरे प्रश्नों में से एक का उत्तर देने के करीब लाता है।