A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms
यह अध्ययन सहसंयोजक रूप से बंधित Pd₆Se₂₀/₂₁ सुपरएटमों से बने एक दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले द्वि-आयामी क्रिस्टल के निर्माण को प्रदर्शित करता है, जो परमाणु-समान इलेक्ट्रॉनिक गुण और क्रिस्टलीय दोष प्रदर्शित करते हैं, जो परमाणु ठोस के नाभिकीयकरण और विकास का अध्ययन करने के लिए एक अद्वितीय मॉडल प्रणाली प्रदान करते हैं।
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सदियों से, वैज्ञानिकों ने यह समझा है कि ठोस दुनिया परमाणुओं से बनी है, जो सूक्ष्म कण हैं जो दोहराव वाले पैटर्न के साथ क्रिस्टल बनाने के लिए एक साथ जुड़ते हैं। इन पैटर्न में, परमाणु इतने छोटे और इतनी तेज़ी से चलते हैं कि उनके द्वारा क्रिस्टल बनाने की प्रक्रिया को देखना एक तूफान में बारिश की एक अकेली बूंद को गिरने देखने की कोशिश करने जैसा है; यह प्रक्रिया देखने के लिए बहुत तेज़ होती है। क्रिस्टल कैसे बढ़ते हैं, इसे समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने लंबे समय से बड़े निर्माण खंडों (building blocks) का उपयोग करने की कल्पना की है जो परमाणुओं की तरह कार्य करते हैं लेकिन उन्हें देखने के लिए पर्याप्त धीरे चलते हैं। वे इन बड़े खंडों को "सुपरएटम" (superatoms) कहते हैं। ये एकल परमाणु नहीं हैं, बल्कि कई परमाणुओं के सटीक क्लस्टर हैं जो एक साथ इतनी मजबूती से जुड़े होते हैं कि वे अपनी विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक पहचान के साथ एक एकल, बड़े इकाई की तरह व्यवहार करते हैं। चुनौती यह थी कि इन सुपरएटम्स को एक-दूसरे से इतना मजबूती से जोड़ना कि वे एक वास्तविक क्रिस्टल बना सकें, न कि केवल ढीले ढंग से तैरते रहें या बिखर जाएं।
एक टीम ने अब इन सुपरएटम्स से बना एक सपाट, द्वि-आयामी (two-dimensional) क्रिस्टल बनाने में सफलता प्राप्त की है, और पहली बार उन्होंने इन निर्माण खंडों को वास्तविक समय में चलते, जुड़ते और खुद की मरम्मत करते हुए देखा है। वैज्ञानिकों ने पैलेडियम और सेलेनियम से बने क्लस्टरों के साथ काम किया, विशेष रूप से छह पैलेडियम परमाणुओं वाले समूह जो बीस या इक्कीस सेलेनियम परमाणुओं से घिरे हुए थे। ये क्लस्टर साधारण परमाणुओं की तुलना में विशाल हैं, जिनका वजन हाइड्रोजन परमाणु से दो हजार गुना से अधिक है। क्योंकि वे इतने भारी हैं, वे साधारण परमाणुओं की तुलना में बहुत धीरे चलते हैं, जिससे शोधकर्ताओं के लिए एक शक्तिशाली इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (electron microscope) का उपयोग करके उनके संयोजन को फिल्मापना संभव हो गया। टीम ने पाया कि ये क्लस्टर केवल एक-दूसरे के पास नहीं बैठते हैं; वे धातुओं में परमाणुओं को जोड़ने वाले रासायनिक बंधों के समान मजबूती से जुड़ते हैं, जिससे एक स्थिर, दोहराव वाला जालीदार ढांचा (lattice) बनता है।
शोधकर्ताओं ने पहले पैलेडियम और सेलेनियम के सही मिश्रण वाले एक अमोर्फस (amorphous), या अव्यवस्थित सामग्री की एक पतली फिल्म बनाकर शुरुआत की। हीटिंग प्रक्रिया के दौरान सामग्री को अपने सेलेनियम परमाणुओं को खोने से बचाने के लिए, उन्होंने इस फिल्म को ग्रेफीन की दो परतों के बीच सैंडविच की तरह दबा दिया, जो कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत से बनी सामग्री है। फिर उन्होंने एक कम शक्ति वाले लेजर का उपयोग करके इस सैंडविच के एक छोटे से हिस्से को धीरे से गर्म किया, जिससे अव्यवस्थित सामग्री सुपरएटमिक संरचना में क्रिस्टलीकृत हो गई। जब उन्होंने उच्च-रिज़ॉल्यूशन सूक्ष्मदर्शी से परिणाम देखा, तो उन्हें चमकीले धब्बों का एक आदर्श ग्रिड दिखाई दिया। प्रत्येक धब्बा एक एकल सुपरएटम क्लस्टर का प्रतिनिधित्व कर रहा था। इन धब्बों की चमक और व्यवस्था का विश्लेषण करके, टीम ने पुष्टि की कि क्लस्टर एक विशिष्ट, दोहराव वाले पैटर्न में व्यवस्थित थे, बिल्कुल फर्श पर लगी टाइलों की तरह, लेकिन प्रत्येक इकाई के बीच लगभग 8.64 एंगस्ट्रॉम (angstroms) की दूरी पर।
इस क्रिस्टल के भीतर, सभी सुपरएटम एक समान नहीं हैं। शोधकर्ताओं ने दो मुख्य प्रकार के क्लस्टर खोजे: एक जिसका केंद्र खोखला है और दूसरा जिसमें केंद्र को भरने के लिए एक सेलेनियम परमाणु है। इन आंतरिक अंतरों के बावजूद, वे आपस में मजबूती से जुड़ते हैं। पड़ोसी क्लस्टरों के किनारों के बीच की दूरी लगभग 3.50 एंगस्ट्रॉम है, एक ऐसा अंतराल जो उन्हें कमजोर, निष्क्रिय बलों द्वारा जोड़े जाने के लिए बहुत छोटा है, फिर भी एक मानक परमाणु बंधन के लिए बहुत बड़ा है। गणनाओं से पता चलता है कि क्लस्टर रासायनिक बंधन और कमजोर बलों के मिश्रण द्वारा जुड़े हुए हैं, जो एक ऐसी बंधन ऊर्जा बनाता है जो क्रिस्टल को बरकरार रखने के लिए पर्याप्त मजबूत है। यह बंधन सामग्री को धात्विक गुण प्रदान करता है, जिसका अर्थ है कि यह बिजली का संचालन कर सकता है, जो इस सामग्री के बल्क (bulk) संस्करण से एक महत्वपूर्ण अंतर है जो एक अर्धचालक (semiconductor) के रूप में कार्य करता है।
जो इस खोज को वास्तव में अद्वितीय बनाता है वह है क्रिस्टल के बढ़ने और ठीक होने को देखने की क्षमता। क्योंकि सुपरएटम इतने विशाल हैं, उनकी गति वीडियो में कैद करने के लिए पर्याप्त धीमी है। शोधकर्ताओं ने व्यक्तिगत क्लस्टरों को एक समूह से अलग होते और सतह पर घूमते हुए फिर से जुड़ने के पहले देखा। उन्होंने क्लस्टरों के छोटे समूहों को एक बड़े क्रिस्टल के करीब आते, उसके साथ संरेखित होने के लिए घूमने और फिर उसमें फिट होने का भी अवलोकन किया, जिससे प्रभावी रूप से एक समय में एक ब्लॉक जोड़कर क्रिस्टल का विकास हुआ। यह प्रक्रिया, जो सामान्य परमाणुओं के लिए सेकंड के कुछ अंशों में होती है, इस प्रणाली में कई सेकंड लेती है, जिससे वैज्ञानिकों को न्यूक्लिएशन (nucleation) और विकास के सटीक चरणों को देखने का अवसर मिलता है।
टीम ने यह भी देखा कि साधारण क्रिस्टल की तरह ही इन सुपरएटमिक क्रिस्टल में भी दोष होते हैं। उन्होंने खाली स्थान देखे जहाँ एक क्लस्टर गायब था, रेखाएं देखीं जहाँ पैटर्न शिफ्ट हो गया था, और सीमाएं देखीं जहाँ दो अलग-अलग क्रिस्टल क्षेत्र मिलते थे। जब शोधकर्ताओं ने सामग्री को लंबे समय तक इलेक्ट्रॉन बीम के संपर्क में रखा, तो उन्होंने इन सीमाओं को ठीक होते देखा। दो अलग-अलग क्रिस्टल ग्रेन (grains) घूमे और एक एकल, बड़े ग्रेन में मिल गए, जिससे मूल सीमा के केवल धुंधले निशान ही शेष रहे। इन स्तरों पर क्रिस्टल के जन्म, विकास और मरम्मत को देखने की क्षमता, भौतिक विज्ञान के उन नियमों में एक दुर्लभ खिड़की प्रदान करती है कि ठोस पदार्थ कैसे बनता है। इस प्रक्रिया को मानव-दृश्य पैमाने तक धीमा करके, शोधकर्ताओं ने एक मॉडल सिस्टम बनाया है जो वैज्ञानिकों को क्रिस्टलीकरण के मौलिक नियमों को समझने में मदद कर सकता है, न कि केवल इन विशिष्ट क्लस्टरों के लिए, बल्कि उन परमाणु क्रिस्टल के लिए भी जो हमारे आसपास की दुनिया बनाते हैं।
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