Preparing State-Selected Molecular Beams with high Efficiency using Quantum Cascade Lasers

अणुओं के सतह से टकराने पर उनके व्यवहार को समझने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर उन्हें छोटे, घूमते हुए लट्टुओं (tops) की तरह मानते हैं। वास्तविक दुनिया में, ये अणु शायद ही कभी स्थिर होते हैं; वे कंपन करते हैं, घूमते हैं और जटिल तरीकों से ऊर्जा ले जाते हैं। जब कोई अणु किसी ठोस सतह, जैसे कि धातु के टुकड़े से टकराता है, तो इसकी आंतरिक ऊर्जा बदल सकती है, या यह अलग गति के साथ वापस उछल सकता है। इन टकरावों का सटीकता से अध्ययन करने के लिए, शोधकर्ताओं को एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के अणु से शुरुआत करने की आवश्यकता होती है: जो ठंडा हो, सीधी रेखा में चल रहा हो, और कंपन तथा घूर्णन (rotation) की एक एकल, ज्ञात अवस्था में स्थित हो। इसे "स्टेट-सिलेक्टेड" (state-selected) बीम कहा जाता है। अणुओं को इस तरह तैयार करके, वैज्ञानिक देख सकते हैं कि टकराव के दौरान ऊर्जा का आदान-प्रदान ठीक कैसे होता है, जिससे यह पता चलता है कि रासायनिक प्रतिक्रियाएं कैसे शुरू होती हैं या सतह गर्मी को कैसे सोखती है। हालाँकि, अणुओं को इस सटीक अवस्था में लाना कठिन है, विशेष रूप से तब जब उन्हें नियंत्रित करने के लिए आवश्यक प्रकाश स्पेक्ट्रम के उस हिस्से में आता है जहाँ मानक उपकरणों तक पहुँचना कठिन होता है।

हैदराबाद स्थित टाटा इंस्टीट्यूट ऑफ फंडामेंटल रिसर्च की एक टीम ने इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने कार्बन मोनोऑक्साइड अणुओं की एक बीम को सफलतापूर्वक तैयार किया जहाँ एक बड़ा हिस्सा एक विशिष्ट, उत्तेजित अवस्था (excited state) में लाया गया। उन्होंने इसे एक कॉम्पैक्ट लेजर डिवाइस का उपयोग करके हासिल किया जिसे क्वांटम कैस्केड लेजर (quantum cascade laser) कहा जाता है, जो मिड-इन्फ्रारेड रेंज में प्रकाश उत्सर्जित करता है। इस विशिष्ट प्रकार का प्रकाश महत्वपूर्ण है क्योंकि यह कार्बन मोनोऑक्साइड अणु की प्राकृतिक कंपन आवृत्ति (vibration frequency) से मेल खाता है, जिससे लेजर एक सटीक स्विच की तरह काम कर पाता है जो अणु को शांत अवस्था से उत्तेजित अवस्था में बदल देता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि उनकी विधि न केवल कुशल है, बल्कि लंबे समय तक चलने के लिए पर्याप्त स्थिर भी है, जो सतहों से अणुओं के प्रकीर्णन (scattering) का अध्ययन करने के लिए आवश्यक प्रयोगों की एक अनिवार्य आवश्यकता है।

इस कार्य में चुनौती एक ऐसा प्रकाश स्रोत खोजने की थी जो अणुओं की अवस्था बदलने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली और बिना विचलित हुए स्थिर रहने के लिए पर्याप्त सक्षम हो। कई पिछले तरीकों में 'पल्स्ड लेजर' (pulsed lasers) का उपयोग किया जाता था, जो प्रकाश के छोटे, तीव्र झोंकों के रूप में फायर करते हैं। शक्तिशाली होने के बावजूद, ये झोंके बीम के केवल एक बहुत छोटे अंश को ही पकड़ पाते हैं, जिससे अधिकांश अणु अछूते रह जाते हैं। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने एक 'कंटीन्यूअस-वेव लेजर' (continuous-wave laser) की ओर रुख किया, जो एक स्थिर, अटूट किरण बिखेरता है। इसने उन्हें अणुओं की पूरी धारा के साथ अंतःक्रिया करने की अनुमति दी। उनके द्वारा उपयोग किया गया विशिष्ट लेजर, क्वांटम कैस्केड लेजर, इतना छोटा है कि इसका आकार माचिस की डिब्बी के समान है और यह कमरे के तापमान पर संचालित होता है, जिससे इसे जटिल प्रयोगात्मक सेटअप में एकीकृत करना बहुत आसान हो जाता है। इसकी तरंग दैर्ध्य (wavelength) 4.65 माइक्रोमीटर है, जो स्पेक्ट्रम का वह क्षेत्र है जहाँ कई महत्वपूर्ण आणविक कंपन होते हैं लेकिन जहाँ पारंपरिक प्रकाश स्रोत प्रदर्शन करने में संघर्ष करते हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि लेजर बिल्कुल सही सुर (note) पकड़े, टीम को एक बड़ी बाधा को पार करना पड़ा: ये लेजर तापमान और करंट (current) में सूक्ष्म परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील होते हैं, जिससे प्रकाश की आवृत्ति में विचलन आ सकता है। यदि आवृत्ति थोड़ी भी भटक जाती है, तो लेजर अपने लक्ष्य अणु को चूक जाता है। शोधकर्ताओं ने लेजर की आवृत्ति को एक स्थिर संदर्भ (reference) से लॉक करके इस समस्या को हल किया। उन्होंने लेजर बीम को कार्बन मोनोऑक्साइड गैस वाले एक छोटे सेल से गुजारा, जिसमें बहुत कम दबाव था। इस सेल के भीतर, उन्होंने एक स्पष्ट सिग्नल बनाया जो एक लाइटहाउस की तरह कार्य करता था, जो उन्हें दिखा रहा था कि सही आवृत्ति कहाँ है। फिर उन्होंने एक कंप्यूटर-नियंत्रित प्रणाली का उपयोग किया जो लेजर को लगातार समायोजित करती रहती है, जिससे यह सिग्नल के साथ पूरी तरह से संरेखित रहता है। इस "लॉकिंग" तंत्र का अर्थ था कि लेजर लगभग 1.4 मेगाहर्ट्ज़ की सटीकता के साथ अपने लक्ष्य पर बना रहा, जो उच्च गुणवत्ता वाले प्रयोगों के लिए आवश्यक स्थिरता का स्तर है।

एक बार जब लेजर स्थिर हो गया, तो टीम ने अपने कार्बन मोनोऑक्साइड अणुओं की बीम को एक वैक्यूम चैंबर के माध्यम से निर्देशित किया। लेजर को एक विशिष्ट ट्रांजिशन (transition) के लिए ट्यून किया गया था, जिसने अणुओं को उनकी निम्नतम ऊर्जा अवस्था से उच्च कंपन अवस्था में बदल दिया। शोधकर्ताओं ने दूसरे लेजर का उपयोग करके उत्तेजित अणुओं का पता लगाकर यह मापा कि कितने अणुओं ने यह छलांग लगाई। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने अपने इन्फ्रारेड लेजर की शक्ति बढ़ाई, उत्तेजित अणुओं की संख्या बढ़ती गई जब तक कि वह एक सीमा तक नहीं पहुँच गई। इस बिंदु पर, सिस्टम 'सैचुरेटेड' (saturated) हो गया था, जिसका अर्थ था कि लेजर उस विशिष्ट ट्रांजिशन के लिए भौतिक रूप से संभव जितनी भी अधिक अणुओं को परिवर्तित कर सकता है, कर रहा था। अपने सबसे तेज़ आणिक बीम में, वे लक्षित घूर्णन अवस्था (J=0) के 65% अणुओं को उत्तेजित करने में सफल रहे, जो इस प्रकार के ट्रांजिशन के लिए सैद्धांतिक अधिकतम के बहुत करीब है। इस उच्च दक्षता ने सिद्ध किया कि उनका कॉम्पैक्ट लेजर सेटअप अध्ययन के लिए उपलब्ध लक्षित अणुओं के एक बड़े हिस्से को तैयार कर सकता है, जो पिछले तरीकों की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है जो केवल एक छोटा हिस्सा ही उत्तेजित कर पाते थे।

समय के साथ स्थिरता भी उतनी ही महत्वपूर्ण है जितनी कि दक्षता। एक स्कैटरिंग प्रयोग के सफल होने के लिए, लेजर को केवल सेकंडों के लिए नहीं, बल्कि घंटों तक लॉक और स्थिर रहना चाहिए। टीम ने 1,500 सेकंड, या लगभग 25 मिनट तक अपने सिस्टम की निगरानी की, और पाया कि उत्तेजित अणुओं का सिग्नल उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहा। जो छोटे उतार-चढ़ाव उन्होंने देखे, वे स्वयं डिटेक्शन उपकरण के कारण थे, न कि लेजर के भटकने के कारण। इसने पुष्टि की कि उनकी विधि लंबे समय तक चलने वाले प्रयोगों का समर्थन कर सकती है जहाँ अणुओं को सतह पर छोड़ा जाता है और परिणामों को समय के साथ रिकॉर्ड किया जाता है। उन्होंने लेजर और आणविक बीम के स्थानिक ओवरलैप (spatial overlap) की भी जाँच की, यह सुनिश्चित करते हुए कि प्रकाश अणुओं की पूरी धारा पर समान रूप से पड़ रहा है, न कि केवल एक छोटे हिस्से पर।

अपने तैयारी के तरीके को मान्य करने के बाद, शोधकर्ताओं ने अगला कदम उठाया और अपने उत्तेजित कार्बन मोनोऑक्साइड अणुओं को एक साफ तांबे (copper) की सतह पर छोड़ा। उन्होंने देखा कि अणु कैसे वापस उछलते हैं, और उन अणुओं के व्यवहार की तुलना की जो उत्तेजित थे और जो नहीं थे। डेटा ने दिखाया कि उत्तेजित अणु इस तरह से बिखरे (scattered) जिससे पता चला कि वे सतह को ऊर्जा स्थानांतरित कर रहे हैं और तेजी से घूम रहे हैं, जिसे 'हाइपरथर्मल रोटेशनल एक्साइटेशन' (hyperthermal rotational excitation) नामक घटना कहा जाता है। इस प्रकार का प्रकीर्णन एक प्रत्यक्ष, ऊर्जावान टकराव की विशेषता है। टीम ने चैंबर की दीवारों से टकराकर वापस आने वाले अणुओं से प्राप्त एक बैकग्राउंड सिग्नल भी देखा, जिसने उन्हें शोर (noise) से वास्तविक स्कैटरिंग घटनाओं को अलग करने में मदद की। हालांकि उन्होंने इस प्रारंभिक रन में यह गणना नहीं की कि टक्कर के बाद अणुओं के जीवित रहने की सटीक संभावना क्या है, लेकिन प्रयोग ने सिद्ध कर दिया कि उनका सेटअप इन जटिल अंतःक्रियाओं के अध्ययन के लिए काम करता है।

यह कार्य अणुओं और प्रतिक्रियाओं की एक विस्तृत श्रृंखला के अध्ययन के द्वार खोलता है। चूंकि क्वांटम कैस्केड लेजर मिड-इन्फ्रारेड क्षेत्र तक पहुँच सकता है, इसलिए यह उन विभिन्न प्रकार के अणुओं के कंपन को लक्षित कर सकता है जो पहले मानक लेजरों के साथ अध्ययन करना कठिन थे। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके वर्तमान सेटअप को एक संशोधित, एक्सटर्नल कैविटी टाइप क्वांटम कैस्केड लेजर (external cavity type quantum cascade laser) का उपयोग करके और बेहतर बनाया जा सकता है जो तरंग दैर्ध्य की एक विस्तृत श्रृंखला में ट्यून किया जा सकता है, जिससे वे और भी अधिक ट्रांजिशन का अध्ययन कर सकेंगे। वे यह भी गणना करने की योजना बना रहे हैं कि कैसे एक अणु की सतह से टकराने के बाद अपनी ऊर्जा बनाए रखने की कितनी संभावना है। एक कॉम्पैक्ट, स्थिर लेजर को सटीक आणविक बीम तकनीकों के साथ जोड़कर, यह अध्ययन पदार्थ के परमाणु स्तर पर अंतःक्रिया करने के मौलिक भौतिकी को समझने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान करता है।