Zero photoemission from icosahedral superatoms

प्रकाश भौतिक जगत को समझने के लिए एक मौलिक उपकरण है। जब प्रकाश का एक फोटॉन किसी परमाणु या अणु से टकराता है, तो वह एक इलेक्ट्रॉन को ढीला कर सकता है, जिससे वह दूर उड़ जाता है। यह प्रक्रिया, जिसे फोटोइमिशन (photoemission) कहा जाता है, सौर पैनलों से लेकर डिजिटल कैमरों के सेंसर तक, हर चीज़ का आधार है। दशकों से, भौतिकविदों को पता है कि इसके होने की संभावना—निकाले गए इलेक्ट्रॉनों की संख्या—आमतौर पर तब बढ़ती है जब प्रकाश में इलेक्ट्रॉन की पकड़ को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। हालाँकि, इस नियम का एक विचित्र अपवाद भी है। कुछ विशिष्ट स्थितियों में, इलेक्ट्रॉन के बाहर निकलने की संभावना लगभग शून्य तक गिर सकती है, भले ही प्रकाश काम करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हो। यह घटना, जिसे कूपर मिनिमम (Cooper minimum) कहा जाता है, तब होती है जब इलेक्ट्रॉन और प्रकाश की तरंग-जैसी प्रकृति इस तरह परस्पर क्रिया करती है कि वे एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। हालांकि यह प्रभाव व्यक्तिगत परमाणुओं में देखा गया है, लेकिन इसे बड़े, मानव निर्मित ढांचों में कभी नहीं देखा गया था, जिससे वैज्ञानिकों के मन में यह सवाल उठा कि क्या यह केवल एकल परमाणुओं तक सीमित एक विचित्रता थी या एक सार्वभौमिक नियम जो खोजे जाने की प्रतीक्षा कर रहा था।

क्यूशू विश्वविद्यालय और होक्काइडो के हेल्थ साइंसेज यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह प्रदर्शित किया है कि इस "शून्य फोटोइमिशन" को परमाणुओं के एक जटिल, कृत्रिम समूह (cluster) में जानबूझकर इंजीनियर किया जा सकता है। उन्होंने बारह सिल्वर (चांदी) परमाणुओं से बना एक छोटा, गोलाकार पिंजरा बनाया जिसके केंद्र में एक अकेला टंगस्टन परमाणु छिपा हुआ था। यह संरचना, जिसे 'सुपरएटम' कहा जाता है, एक विशाल एकल परमाणु के व्यवहार की नकल करती है। इन समूहों पर विभिन्न मात्रा में ऊर्जा वाले लेजर पल्स चलाकर, वैज्ञानिकों ने देखा कि कितने इलेक्ट्रॉन बाहर निकले। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर पर, इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा से ठीक 0.85 इलेक्ट्रॉन वोल्ट ऊपर, उत्सर्जन पूरी तरह से रुक गया। सिग्नल गायब हो गया। वह क्लस्टर प्रकाश के प्रति पूरी तरह से पारदर्शी हो गया, और कोई भी इलेक्ट्रॉन छोड़ने से इनकार कर दिया। यह गतिविधि में क्रमिक गिरावट नहीं थी बल्कि एक पूर्ण सन्नाटा था, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का एक पूर्ण दमन था जो पहले केवल ऐसे बड़े सिस्टमों के लिए सैद्धांतिक रूप से माना जाता था।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, हमें इन समूहों के भीतर इलेक्ट्रॉन बादलों के आकार को देखना होगा। सिल्वर-टंगस्टन क्लस्टर में, सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन एक गोलाकार कक्षा (orbital) में रहता है, जो हाइड्रोजन परमाणु के सरलतम इलेक्ट्रॉन शेल की तरह है। जब प्रकाश इस इलेक्ट्रॉन से टकराता है, तो वह इसे बाहर धकेलने की कोशिश करता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि जिस विशिष्ट ऊर्जा पर सिग्नल गायब हुआ, वहां बाहर जाने वाले इलेक्ट्रॉन की तरंग का एक सकारात्मक भाग और एक नकारात्मक भाग था जो पूरी तरह से संतुलित थे। जैसे ही इलेक्ट्रॉन बाहर जाने की कोशिश करता, ये दोनों भाग एक दूसरे को सटीक रूप से रद्द कर देते, जिससे शुद्ध गति शून्य हो जाती। यह ऐसा ही है जैसे इलेक्ट्रॉन आगे बढ़ने की कोशिश कर रहा हो, लेकिन हर कदम जो वह एक दिशा में लेता है, उसके लिए एक समान और विपरीत बल उसे वापस खींच लेता है, जिससे वह स्थिर खड़ा रहता है। यह कूपर मिनिमम का एक चरम रूप है, जो आमतौर पर सिग्नल में केवल गिरावट लाता है, लेकिन यहाँ, इसने सिग्नल को पूरी तरह से गायब कर दिया।

टीम ने इस निष्कर्ष पर पहुँचने के लिए केवल एक अवलोकन पर भरोसा नहीं किया। उन्होंने सिल्वर-टंगस्टन क्लस्टर्स को गैस अवस्था में बनाया और इलेक्ट्रॉनों के बाहर निकलने की हजारों तस्वीरें लेने के लिए एक परिष्कृत कैमरा सिस्टम का उपयोग किया। उन्होंने इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की दहलीज से लेकर बहुत उच्च स्तर तक लेजर प्रकाश के रंग को बदला। छवियों ने दिखाया कि ऊर्जा बढ़ने के साथ इलेक्ट्रॉनों का एक स्पष्ट घेरा (ring) फैलता है, लेकिन फिर, ऊर्जा के एक संकीले अंतराल में, वह घेरा बस गायब हो गया। यह पुष्टि करने के लिए कि यह कोई इत्तेफाक नहीं था, उन्होंने टंगस्टन के बजाय सिल्वर और मोलिब्डेनम से बने लगभग एक समान क्लस्टर के साथ प्रयोग को दोहराया। क्योंकि मोलिब्डेनम और टंगस्टन रासायनिक रूप से करीबी रिश्तेदार हैं, नया क्लस्टर लगभग उसी तरह व्यवहार करता था, जो लगभग एक ही ऊर्जा स्तर पर इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन में समान पूर्ण सन्नाटा दिखा रहा था। इस पुनरावृत्ति ने साबित किया कि यह प्रभाव इन गोलाकार संरचनाओं का एक मौलिक गुण था, न कि उपकरण की गलती या कोई एक बार की घटना।

शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए। उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन की तरंग का गणितीय विवरण प्रयोगात्मक डेटा से पूरी तरह मेल खाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि इलेक्ट्रॉन की तरंग का रद्दीकरण उस विशिष्ट कक्षा के आकार और क्लस्टर की संरचना के कारण था जिसमें वह स्थित था। क्लस्टर इतना सममित (symmetrical) था, जो बीस त्रिकोणीय फलकों वाले एक पूर्ण आइकनसाहेड्रॉन (icosahedron) के आकार का था, कि इसने इलेक्ट्रॉन को बहुत ही व्यवस्थित, परमाणु-समान तरीके से व्यवहार करने के लिए मजबूर किया। यह उच्च स्तर की समरूपता महत्वपूर्ण थी; कम सममित संरचनाओं में, इलेक्ट्रॉन के पास बचने के कई रास्ते होते, जिससे सभी का एक साथ रद्द होना असंभव हो जाता। धातु के परमाणुओं से एक लगभग पूर्ण गोला बनाकर, वैज्ञानिकों ने एक नियंत्रित वातावरण बनाया जहाँ यह नाजुक रद्दीकरण घटित हो सके।

यह खोज इस दृष्टिकोण को बदल देती है कि हम छोटे, इंजीनियर किए गए सिस्टमों में प्रकाश और पदार्थ की परस्पर क्रिया को कैसे देखते हैं। यह दिखाता है कि परमाणुओं की संख्या और उपयोग किए जाने वाले तत्वों के प्रकार को सावधानीपूर्वक चुनकर, वैज्ञानिक एक क्लस्टर के गुणों को यह नियंत्रित करने के लिए ट्यून कर सकते हैं कि वह इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करे या नहीं। ऊर्जा को समायोजित करके फोटोइमिशन को पूरी तरह से चालू या बंद करने की क्षमता, इलेक्ट्रॉनों के मौलिक भौतिकी का अध्ययन करने के नए अवसर खोलती है। यह अन्य सूक्ष्म प्रभावों, जैसे कि इलेक्ट्रॉन को परमाणु छोड़ने में कितना समय लगता है या प्रकाश कैसे व्यवहार करता है जब वह उन तरीकों से पदार्थ के साथ अंतःक्रिया करता है जो सरल मॉडलों से परे जाते हैं, की जांच के लिए एक स्वच्छ मंच प्रदान करता है। यह कार्य पुष्टि करता है कि क्वांटम यांत्रिकी की अजीब, तरंग-जैसी रद्दीकरण की घटनाएं केवल सबसे छोटे, सरल परमाणुओं तक सीमित नहीं हैं, बल्कि उन्हें नैनो-दुनिया के जटिल, मानव-निर्मित ढांचों में भी पाया और हेरफेर किया जा सकता है।