Metastable nanoparticle cores amplify single-ion quantum level crossings

नन्हे चुंबकों की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से एक निराशाजनक पहेली का सामना कर रहे हैं। एक एकल नैनोकण के भीतर, जो हजारों परमाणुओं का एक समूह है, चुंबकीय व्यवहार आमतौर पर एक सहज, अस्त-व्यस्त धुंधलापन जैसा दिखता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि कण थोड़े अलग आकार और रूप के होते हैं, और वे एक-दूसरे के साथ जटिल तरीकों से परस्पर क्रिया करते हैं। जब शोधकर्ता इसके भीतर के व्यक्तिगत परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों को मापने की कोशिश करते हैं, तो ये अंतर संकेत (सिग्नल) को धुंधला कर देते हैं, जिससे वे स्पष्ट, क्वांटम चरणों को छिपा देते हैं जो प्रकृति वास्तव में लेती है। दशकों तक, इन स्पष्ट, व्यक्तिगत चरणों को देखने का एकमात्र तरीका पूर्ण, व्यवस्थित क्रिस्टल बनाना था जहाँ प्रत्येक परमाणु एक समान स्थान पर स्थित हो। लेकिन प्रकृति शायद ही कभी ऐसी पूर्णता प्रदान करती है, और प्रयोगशाला में इसे बनाना कठिन है। प्रश्न यह था: क्या हम कभी किसी अव्यवस्थित, बिखरे हुए पदार्थ के ढेर के भीतर एक अकेले परमाणु की फुसफुसाहट सुन पाएंगे?

शोधकर्ताओं ने अब ठीक यही करने का एक तरीका खोज लिया है, जिसमें एक विशेष प्रकार के जैविक नैनोकण 'मैग्नेटोफेरिटिन' (magnetoferritin) का उपयोग किया गया है। ये प्रोटीन पिंजरे जैसे होते हैं, जो जीवित चीजों में स्वाभाविक रूप से पाए जाते हैं और एक चुंबकीय आयरन ऑक्साइड कोर को थामे रखते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन कणों को परम शून्य (absolute zero) के करीब ठंडा करके और एक सावधानीपूर्वक नियंत्रित चुंबकीय क्षेत्र लागू करके, वे एक एकल आयरन परमाणु के संकेत को इतना मजबूती से बढ़ा सकते हैं कि वह दृश्यमान हो जाए। उन्हें एक पूर्ण क्रिस्टल की आवश्यकता नहीं थी। इसके बजाय, उन्होंने नैनोक melalui कण के कोर की प्राकृतिक अस्थिरता का उपयोग एक विशाल एम्पलीफायर (प्रवर्धक) के रूप में किया। परिणाम स्वरूप, डेटा में एक स्पष्ट, दोहराव वाला पैटर्न दिखाई दिया जो एक एकल आयरन आयन के क्वांटम ऊर्जा स्तरों को प्रकट करता है, जिससे यह सिद्ध होता है कि एक अव्यवस्थित प्रणाली में भी, क्वांटम यांत्रिकी के नियम एक विशिष्ट, मापने योग्य छाप छोड़ते हैं।

कहानी स्वयं उस सामग्री से शुरू होती है। मैग्नेटोफेरिटिन एक प्रोटीन शेल है, जो लगभग बारह नैनोमीटर चौड़ा है, और एक चुंबकीय कोर को घेरे हुए है जिसका व्यास लगभग पांच नैनोमीटर है। इस कोर के भीतर, हजारों आयरन परमाणु मिलकर एक एकल चुंबकीय इकाई के रूप में कार्य करते हैं। हालाँकि, इस कोर की सतह एक अराजक स्थान है जहाँ चुंबकीय व्यवस्था अपूर्ण है। शोधकर्ताओं को संदेह था कि इस सतह पर मौजूद व्यक्तिगत आयरन आयनों के अपने अद्वितीय क्वांटम ऊर्जा स्तर हो सकते हैं, लेकिन उनके संकेत आमतौर पर बड़े कोर के भारी शोर और विभिन्न कणों के बीच के बदलावों के कारण दब जाते हैं। उन्हें खोजने के लिए, टीम ने 'फर्स्ट-ऑर्डर रिवर्सल कर्व एनालिसिस' नामक तकनीक का सहारा लिया। यह विधि एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन स्कैन की तरह है जो पदार्थ के सुचारू, अनुमानित व्यवहार को विशिष्ट भागों के तीक्ष्ण, असामान्य गुणों से अलग करती है। चुंबकीय क्षेत्र को बहुत छोटे चरणों में बढ़ाने और फिर घटाने के दौरान चुंबकत्व कैसे बदलता है, इसका मापन करके, वे डेटा में छिपे सूक्ष्म संकेतों को अलग कर सके।

जब उन्होंने दो और पांच केल्विन के अत्यंत निम्न तापमान पर ये माप चलाए, तो एक आश्चर्यजनक पैटर्न उभर कर आया। मुख्य संकेत के नीचे, डेटा में वक्रित, वैकल्पिक उभार (ridges) दिखाई दिए। ये उभार यादृच्छिक शोर नहीं थे; वे नियमित अंतराल पर थे, जो हर 11.9 मिलीटेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र पर दिखाई दे रहे थे। यही अंतराल महत्वपूर्ण है। यह एक पैमाने (रूलर) की तरह कार्य करता है, जो क्वांटम ऊर्जा स्तरों के बीच की दूरी को मापता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह पैटर्न अविश्वसनीय रूप से स्थिर था और उच्च सटीकता के साथ दोहराया गया था। महत्वपूर्ण रूप से, जब तापमान को एक निश्चित बिंदु से ऊपर बढ़ाया गया, जिसे 'ब्लॉकिंग टेम्परेचर' कहा जाता है, तो यह पैटर्न गायब हो गया, जहाँ चुंबकीय कोर अपना आकार बनाए रखने के लिए बहुत अधिक "तरल" (fluid) हो जाता है। इसने पुष्टि की कि संकेत कोर की जमी हुई, ठोस अवस्था से जुड़ा था, न कि मापने वाले उपकरण की किसी त्रुटि से।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह एक वास्तविक भौतिक खोज थी और उनके उपकरणों या डेटा को संसाधित करने के तरीके से उत्पन्न कोई त्रुटि (artifact) नहीं थी, टीम ने अपने निष्कर्षों को कठोर परीक्षणों के अधीन किया। उन्होंने अपने मापन के समय, डेटा बिंदुओं के अंतराल और कर्व्स के विश्लेषण के तरीके को बदला। हर मामले में, आवधिक पैटर्न अपरिवर्तित रहा, जबकि त्रुटि के संभावित स्रोतों के कारण पैटर्न बदल जाता या गायब हो जाता। उन्होंने एक अलग प्रयोगशाला से प्राप्त डेटा के साथ भी अपने परिणामों की तुलना की, जो एक अलग प्रकार के चुंबकीय कण का उपयोग कर रही थी। भले ही सामग्रियां अलग थीं, सिग्नल में वही ज्यामितमितीय झुकाव (geometric tilt) दिखाई दिया, जो चुंबकीय कोर की आंतरिक स्थिति के व्यवहार से मेल खाता था। इस क्रॉस-चेक ने इस संभावना को खारिज कर दिया कि पैटर्न मशीन का कोई छल या गणितीय भ्रम था।

यह खोज एक विशिष्ट भौतिक तंत्र की ओर संकेत करती है: नैनोकण की सतह पर एक एकल आयरन आयन पूरे कोर के लिए एक ट्रिगर के रूप में कार्य कर रहा है। सामान्यतः, एक एकल परमाणु हजारों परमाणुओं से बने कोर को प्रभावित करने के लिए बहुत कमजोर होता है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब नैनोकण कोर को एक विशिष्ट तापमान सीमा तक ठंडा किया जाता है, तो यह अपनी चुंबकीय दिशा बदलने की बिल्कुल दहलीज पर होता है। इस नाजुक स्थिति में, कोर अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होता है। जब बाहरी चुंबकीय क्षेत्र उस सटीक ऊर्जा स्तर पर पहुँचता है जहाँ एकल सतह आयन अपनी अवस्था बदल सकता है, तो यह कोर को एक सूक्ष्म धक्का देता है। क्योंकि कोर पहले से ही पलटने के लिए तैयार बैठा है, यह छोटा सा धक्का कोर के व्यवहार में एक विशाल, मापने योग्य परिवर्तन का कारण बनता है। नैनोकण का कोर प्रभावी रूप से एक एकल परमाणु के सूक्ष्म क्वांटम उछाल को एक ऐसे संकेत में बदल देता है जिसे मानक प्रयोगशाला उपकरणों द्वारा देखा जा सके।

सिग्नल के अंतराल ने टीम को उस एकल आयन के क्वांटम अवस्थाओं के बीच ऊर्जा अंतर की गणना करने की अनुमति दी। उन्होंने इस मान को 0.016 केल्विन निर्धारित किया, जो एक संख्या है जो सक्रिय इकाई को 5/2 स्पिन वाले एकल आयरन आयन के रूप में पहचानती है। यह एक विशिष्ट प्रकार का आयरन परमाणु, Fe3+ है, जो इस विवरण में फिट होने वाला एकमात्र उपलब्ध आयरन है। यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दिखाती है कि एक पूर्ण क्रिस्टल जाली की आवश्यकता के बिना भी एक एकल परमाणु की क्वांटम प्रकृति को देखा जा सकता है। नैनोकण की अव्यवस्था, जो आमतौर पर ऐसे विवरणों को छिपा देती है, वास्तव में इस प्रक्रिया के लिए आवश्यक थी। कोर की "मेटास्टेबल" (अस्थिर) अवस्था—बदलाव की कगार पर रहने की इसकी क्षमता—एक प्राकृतिक एम्पलीफायर के रूप में कार्य करती है, जो एक सूक्ष्म क्वांटम घटना को एक स्थूल अवलोकन में बदल देती है।

यह कार्य इस बात को बदल देता है कि भविष्य में वैज्ञानिक क्वांटम प्रभावों को कैसे देख सकते हैं। तीस वर्षों से, शोधकर्ता अव्यवस्थित सामग्रियों में इन व्यक्तिगत क्वांटम स्तरों को देखने के लिए संघर्ष कर रहे थे, और अक्सर अलग-थलग विसंगतियों को प्रयोगात्मक त्रुटियों के रूप में खारिज कर देते थे। यह अध्ययन बताता है कि क्या देखना है, इसके लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है: एक दोहराव वाला पैटर्न जो नमूने के चुंबकीय इतिहास के सापेक्ष एक विशिष्ट तरीके से झुकता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह पैटर्न केवल आकार और तापमान के एक विशिष्ट दायरे के भीतर ही दिखाई देता है। यदि कण बहुत छोटे हैं, तो वे बहुत आसानी से पलट जाते हैं; यदि वे बहुत बड़े हैं, तो वे उस सूक्ष्म धक्के का जवाब देने के लिए बहुत जिद्दी हो जाते हैं। टीम ने गणना की कि उनके विशिष्ट पदार्थ के लिए, अवलोकन का "स्वीट स्पॉट" दो केल्विन पर 4.1 और 8.5 नैनोमीटर के बीच है। यही कारण है कि विभिन्न कण आकारों या तापमानों के साथ पिछले प्रयास इस सिग्नल को देखने में विफल रहे; क्योंकि वह विंडो (दायरा) अध्ययन किए जा रहे कणों के वितरण से आगे निकल गई थी।

इसके निहितार्थ केवल इस एक सामग्री तक सीमित नहीं हैं। यहाँ उपयोग की जाने वाली विधि सामान्य और अपेक्षाकृत सस्ती है, जो विशेष, उच्च-लागत सुविधाओं के बजाय मानक मैग्नेटोमेट्री उपकरणों पर निर्भर करती है। इस विशिष्ट ज्यामितीय हस्ताक्षर को खोजकर, वैज्ञानिक अब जैविक प्रणालियों से लेकर औद्योगिक उत्प्रेरकों तक, विभिन्न प्रकार के अव्यवस्थित नैनोमटेरियल्स में एकल-आयन क्वांटम अवस्थाओं की खोज कर सकते हैं। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि वास्तविक दुनिया की सामग्रियों की अव्यवस्थित और अपूर्ण दुनिया को क्वांटम यांत्रिकी के मौलिक नियमों को छिपाने की आवश्यकता नहीं है। सही परिस्थितियों के साथ, नैनोकण की अस्थिरता का उपयोग अदृश्य को दृश्यमान बनाने के लिए किया जा सकता है, जिससे हमें एक अराजक भीड़ के भीतर एक एकल परमाणु की क्वांटम आवाज सुनने की अनुमति मिलती है।