Read Time:14 Minute
ഡോ.എൻ.ഷാജി
ഫിസിക്സ് അധ്യാപകൻ
നമ്മുടെ ചുറ്റും കാണുന്ന വസ്തുക്കളെല്ലാം ആറ്റങ്ങള്‍ കൊണ്ടു നിര്‍മ്മിതമാണല്ലോ? അതിനാല്‍ത്തന്നെ ആറ്റങ്ങളുടെ തലത്തില്‍ വസ്തുക്കളെക്കുറിച്ച് പഠിക്കുക എന്നത് സാധിക്കുമെങ്കില്‍ വളരെ പ്രയോജനപ്രദമായ കാര്യമാണ്. ഈ മേഖലയില്‍ 2023-ല്‍ ഉണ്ടായ ചില പുതിയ കണ്ടെത്തലുകള്‍ ഏറെ ശ്രദ്ധേയമാണ്. കുറച്ചുകാലമായി ഈ രംഗത്തു ഗവേഷണം നടത്തുന്ന യു എസ് എ., ഫ്രാന്‍സ്, ചൈന എന്നീ രാജ്യങ്ങളിലെ 19 ശാസ്ത്രജ്ഞരടങ്ങിയ ഒരു സംഘമാണ് പുതിയ നേട്ടങ്ങള്‍ കൈവരിച്ചിരിക്കുന്നത്. അവര്‍ നേച്ചര്‍ മാസികയില്‍ 2023 മെയ് മാസത്തില്‍ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ഗവേഷണ പേപ്പറിന്റെ തലക്കെട്ട് ‘Characterization of just one atom using synchrotron X-rays‘ എന്നതാണ്. ഇതു മനസ്സിലാക്കാന്‍ സിങ്ക് റോട്രോണ്‍ എക്സ്-റേ എന്താണെന്നും അതെങ്ങനെ ഇവിടെ ആറ്റങ്ങളെ ‘കാണാന്‍’ പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നുവെന്നും അറിയണം.
ആറ്റങ്ങളെ കാണാന്‍
നമുക്ക് നഗ്നനേത്രങ്ങള്‍കൊണ്ട് ആറ്റങ്ങളെ ഒറ്റതിരിച്ച് കാണാന്‍ കഴിയില്ല. അവ അത്രയ്ക്ക് ചെറുതാണെന്നതാണ് കാരണം. ഉദാഹരണമായി, ലക്ഷം കോടി കോടി (10,000,000, 000,000,000,000 അഥവാ 1019) ഇരുമ്പ് ആറ്റം ചേര്‍ന്നാല്‍ അത് ഒരു മില്ലിഗ്രാം പോലും ഉണ്ടാകില്ല. ഒരു നല്ല മൈക്രോസ്കോപ്പ് ഉപയോഗിച്ചാല്‍ ആറ്റത്തെ കാണാന്‍ പറ്റില്ലേ എന്നത് ഒരു നല്ല ചോദ്യമാണ്. പ്രകാശം ഉപയോഗിച്ചു പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്ന ഏതുതരം മൈക്രോസ്കോപ്പ് ഉപയോഗിച്ചാലും ഇതു സാധ്യമാവില്ല എന്നതാണ് ഇതിനുള്ള ഉത്തരം. കാരണം ലളിതമാണ്. ഏതൊരു ആറ്റത്തിന്റെയും വലുപ്പം ഒരു നാനോമീറ്ററില്‍ താഴെയേ വരൂ. (ഒരു മീറ്ററിന്റെ നൂറു കോടിയില്‍ ഒരു ഭാഗമാണ് ഒരു നാനോമീറ്റര്‍). വയലറ്റു മുതല്‍ ചുവപ്പു വരെയുള്ള ദൃശ്യപ്രകാശത്തിന്റെ തരംഗദൈര്‍ഘ്യമാകട്ടെ 400-നും 700-നും ഇടയില്‍ നാനോമീറ്റര്‍ ആണ്. ഏതുതരം മൈക്രോസ്കോപ്പ് ഉപയോഗിച്ചാലും ഈ തരംഗദൈര്‍ഘ്യത്തേക്കാളും വളരെ കുറവ് വലുപ്പമുള്ള വസ്തുക്കളെ കാണാന്‍ കഴിയില്ല. ഇക്കാര്യത്തില്‍ ഒരു പോംവഴിയുള്ളത് തരംഗദൈര്‍ഘ്യം വളരെ കുറഞ്ഞ തരംഗങ്ങള്‍ ഉപയോഗിക്കുക എന്നതാണ്. സാധാരണ ഇലക്ട്രോണ്‍ മൈക്രോസ്കോപ്പുകളില്‍ ഇലക്ട്രോണ്‍ തരംഗങ്ങളെയാണ് പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നത്. ഊര്‍ജം കൂടിയ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ തരംഗദൈര്‍ഘ്യം വളരെ കുറവായിരിക്കും. എങ്കിലും ഇവ ഉപയോഗിച്ച് ആറ്റങ്ങളെ വേര്‍തിരിച്ചു കാണാന്‍ കഴിയില്ല.
വേറൊരു വഴിയുള്ളത് എക്സ്-റേ ഉപയോഗിക്കുക എന്നതാണ്. പ്രകാശത്തെപ്പോലെ എക്സ്-റേയും വിദ്യുത്കാന്തിക തരംഗങ്ങളാണ്. തരംഗദൈര്‍ഘ്യത്തിന്റെ കാര്യത്തിലാണ് വ്യത്യാസം. 0.01 മുതല്‍ 10 വരെ നാനോമീറ്റര്‍ തരംഗ ദൈര്‍ഘ്യമുള്ളവയെ ആണ് എക്സ്-റേ എന്നു വിളിക്കുക. ഈ പരിധിക്കകത്താണ് ആറ്റങ്ങളുടെ വലുപ്പം. ക്രിസ്റ്റലുകളിലും മറ്റും ആറ്റങ്ങള്‍ക്കിടയിലുള്ള അകലവും ഈ റേഞ്ചിലാണ്. ക്രിസ്റ്റല്‍ ഘടനയെക്കുറിച്ചു പഠിക്കാനും ഡി എന്‍ എ പോലുള്ള വന്‍ തന്മാത്രകളുടെ ഘടന പഠിക്കാനും ഒക്കെ എക്സ്-റേ പ്രയോജനപ്പെട്ടത് ഇക്കാരണത്താലാണ്. എക്സ്-റേ വിഭംഗനം (X-Ray Ddiffraction – XRD) എന്നതാണ് ഇവിടെ പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നത്. എന്നാല്‍, ഒറ്റപ്പെട്ട ആറ്റങ്ങളെ വേര്‍തിരിച്ചു കാണാനോ പഠിക്കാനോ ഈ വിദ്യ പോരാ.
എക്സ്-റേ ആറ്റങ്ങളില്‍ തട്ടിത്തെറിച്ച് (scatter) വരുന്നത് വിശകലനം ചെയ്താല്‍ അതില്‍ നിന്ന് പല വിവരങ്ങളും കണ്ടെത്താം. സാധാരണഗതിയില്‍ അതിനുവേണ്ട ശക്തമായ സിഗ്നല്‍ ലഭിക്കണമെങ്കില്‍ ധാരാളം ആറ്റങ്ങള്‍ വേണ്ടി വരും. അതു പതിനായിരക്കണക്കില്‍ എന്ന അളവില്‍ വേണ്ടി വരും. മറ്റൊരു വഴി നല്ല ശക്തിയുള്ള എക്സ്-റേ സ്രോതസ്സുകള്‍ ഉപയോഗിക്കുക എന്നതാണ്. അതിനുള്ള വഴിയാണ് സിങ്ക്റോട്രോണുകള്‍ നല്‍കുന്നത്.
സിങ്ക്റോട്രോണ്‍ റേഡിയേഷന്‍
ഇലക്ട്രോണ്‍, പ്രോട്ടോണ്‍ മുതലായ ചാര്‍ജുള്ള കണങ്ങള്‍ക്ക് ത്വരണം (acceleration) നല്‍കിയാല്‍ അവ വിദ്യുത്കാന്തികതരംഗങ്ങളെ പുറത്തു വിടും. ഇത്തരം കണങ്ങളെ വളരെ ഉയര്‍ന്ന ഊര്‍ജത്തിലേക്ക് എത്തിക്കുന്ന ഒരിനം പാര്‍ട്ടിക്കിള്‍ ആക്സിലറേറ്ററുകളാണ് സിങ്ക്റോട്രോണുകള്‍. ഇവയില്‍ വളരെ ഉയര്‍ന്ന തീവ്രതയുള്ള കാന്തികക്ഷേത്രം (magnetic field) ഉപയോഗിച്ച് കണങ്ങളുടെ ചലനദിശ വ്യത്യാസപ്പെടുത്തുമ്പോള്‍ ത്വരണം കാരണം അവ റേഡിയേഷന്‍ പുറത്തു വിടും. ഇതിനെ സിങ്ക്റോട്രോണ്‍ റേഡിയേഷന്‍ എന്നു വിളിക്കുന്നു. ഇതില്‍ അള്‍ട്രാ വയലറ്റ്, എക്സ്-റേ, ഗാമാ-റേ എന്നിങ്ങനെ വിവിധ തരം വിദ്യുത്കാന്തികതരംഗങ്ങള്‍ ഉണ്ടാകും. ഇതിലെ എക്സ്-റേ സാധാരണ എക്സ്-റേ ഉപകരണങ്ങളിലേതിനേക്കാള്‍ തീവ്രമായിരിക്കും. നമുക്ക് പരീക്ഷണങ്ങള്‍ക്കാവശ്യമായ തരംഗദൈര്‍ഘ്യം തിരഞ്ഞെടുക്കാനും സംവിധാനമുണ്ടാകും. ഇതു വളരെ ചെലവേറിയ സംവിധാനം ആണെന്നതിനാല്‍ ലോകത്തെ അപൂര്‍വം പരീക്ഷണശാലകളില്‍ മാത്രമാണ് ഉണ്ടാവുക. ഇന്ത്യയില്‍ ഇന്‍ഡോറില്‍ ഒരു കേന്ദ്രത്തിലാണ് (Raja Ramanna Centre for Advanced Technology – RRCAT, Indore) ഈ സൗകര്യമുള്ളത്. ഇവിടെ പ്രതിപാദിക്കുന്ന ഗവേഷണം നടന്നത് യു എസ് എ യിലെ ആര്‍ഗോണ്‍ നാഷണല്‍ ലബോറട്ടറിയിലെ അഡ്വാന്‍സ്ഡ് ഫോട്ടോണ്‍ സോഴ്സ് എന്ന ഫെസിലിറ്റി ഉപയോഗിച്ചാണ്.
നിലവിലുള്ള മൈക്രോസ്കോപ്പ് സംവിധാനങ്ങളില്‍ ഏറ്റവും സൂക്ഷ്മതയുള്ള ഒന്നാണ് സ്കാനിങ് ടണലിങ് മൈക്രോസ്കോപ്പി. നാനോമീറ്ററില്‍ താഴെ വലുപ്പമുള്ള വസ്തുക്കളെ ‘തലോടി നോക്കി’ നാനോമീറ്ററിനേക്കാളും മെച്ചപ്പെട്ട സൂക്ഷ്മത കൈവരിക്കാന്‍ ഇവയ്ക്കാകും. അത്തരം മൈക്രോസ്കോപ്പുകളോടൊപ്പം സിങ്ക്റോട്രോണ്‍ റേഡിയേഷന്‍ സൗകര്യങ്ങളെക്കൂടി ഉപയോഗിച്ചാണ് ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ ഒറ്റപ്പെട്ട ആറ്റങ്ങളെക്കുറിച്ചു പഠിച്ചത്.
വളയത്തില്‍ ഒതുക്കിയ ആറ്റങ്ങള്‍
ആറ് റുഥേനിയം (Ru- Ruthenium) അയോണുകള്‍ ചേര്‍ന്ന ഒരു വളയത്തിനോട് ബന്ധിച്ച് നിര്‍ത്തിയിരിക്കുന്ന ഇരുമ്പിന്റെ (Fe) ആറ്റത്തിലാണ് ഇവര്‍ പഠനം നടത്തിയത്. ഈ ഇരുമ്പിന്റെ ആറ്റത്തില്‍ നിന്ന് 0.2 നാനോമീറ്റര്‍ മാത്രം അകലത്തില്‍ സ്കാനിങ് ടണലിങ് മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ സൂചിമുന നില നിര്‍ത്തിക്കൊണ്ട് ആറ്റത്തില്‍ നിന്ന് ടണലിംഗ് വഴി കടന്നുവരുന്ന ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ഉണ്ടാക്കുന്ന വൈദ്യുത കറന്റിനെ നിരീക്ഷിക്കാന്‍ ഇവര്‍ക്കു കഴിഞ്ഞു. ക്ലാസിക്കല്‍ മെക്കാനിക്സിലെ തത്വങ്ങള്‍ അനുസരിച്ച് ഇലക്ട്രോണ്‍ പോലുള്ള കണങ്ങള്‍ക്ക് കടന്നു പോകാന്‍ സാധ്യമല്ലാത്ത ഇടങ്ങളിലൂടെയും അവയ്ക്ക് കടന്നു പോകാന്‍ കഴിഞ്ഞേക്കുമെന്ന് ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സ് പറയുന്നു. ഇത്തരത്തില്‍ കണങ്ങള്‍ തടസ്സങ്ങള്‍ മറികടക്കുന്നതിനെയാണ് ക്വാണ്ടം ടണലിങ് എന്നു പറയുന്നത്. ഇത് ആറ്റവും മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ സൂചിമുനയും തമ്മിലുള്ള അകലം അനുസരിച്ച് മാറിക്കൊണ്ടിരിക്കും. ഇവിടെ പരീക്ഷണത്തില്‍ ഈ അകലം ഏതാണ്ട് 0.5 നാനോ മീറ്റര്‍ മാത്രമായിരുന്നു. ഈ ദൂരമെന്നത് ഒരു മുടിനാരിന്റെ വണ്ണത്തിന്റെ ലക്ഷത്തിലൊരു ഭാഗമേ വരൂ.
ഇവിടെ ചെയ്ത പരീക്ഷണത്തിന്റെ രീതി ഇതായിരുന്നു. ഇരുമ്പിന്റെ ആറ്റത്തിനോട് വളരെയടുത്ത് മൈക്രോസ്കോപ്പിന്റെ സൂചിമുന (probe) വെച്ചിരിക്കുന്നു. അതിലൂടെ ടണലിങ് വഴി ഉണ്ടാകുന്ന ചെറിയ വൈദ്യുതി അളക്കുന്നു. അത് പൈകോ ആമ്പിയറില്‍ അളക്കാനുള്ളതേ ഉണ്ടാകൂ. ഒരു ആമ്പിയറിന്റെ ലക്ഷം കോടിയിലൊരു ഭാഗമാണ് ഒരു പൈകോ ആമ്പിയര്‍. (1 pA =10-12A). ആറ്റം ഇരിക്കുന്ന സ്ഥലത്ത് തീവ്രമായ അളവില്‍ എക്സ്-റേ പതിപ്പിക്കുമ്പോള്‍ രണ്ടു തരത്തിലുള്ള വൈദ്യുതപ്രവാഹം ഉണ്ടാകാം.
ഒന്ന് എക്സ്-റേ ഫോട്ടോ ഇലക്ട്രിക് പ്രഭാവം വഴി ഉപരിതലത്തില്‍ നിന്ന് തെറിപ്പിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകള്‍. മറ്റൊന്ന് കുറച്ചു വളഞ്ഞ വഴിയിലാണ് ഉണ്ടാവുക. ചില പ്രത്യേക തരംഗദൈര്‍ഘ്യം ഉള്ള എക്സ്-റേ വികിരണം ആറ്റങ്ങളില്‍ വീഴുമ്പോള്‍ അവിടുത്തെ താഴ്ന്ന ഊര്‍ജ നിലകളിലുള്ള ഇലക്ട്രോണുകള്‍ അത് ആഗിരണം ചെയ്യുകയും അവ അങ്ങനെ ഉയര്‍ന്ന ഊര്‍ജ നിലയില്‍ എത്തുകയും ചെയ്യും. അത്തരം ഇലക്ട്രോണുകള്‍ ടണലിങ് വഴി ചെറിയ തോതിലുള്ള കറന്റിനു കാരണമാവുകയും ചെയ്യും. ഇതു സാധ്യമാക്കുന്ന എക്സ്-റേയുടെ തരംഗദൈര്‍ഘ്യം ഓരോ ഇനം ആറ്റങ്ങള്‍ക്കും വ്യത്യസ്തമായിരിക്കും. ഇതു തിരിച്ചറിഞ്ഞാല്‍ അതു വഴി ആറ്റം ഏതു മൂലകത്തിന്റേതാണെന്നും അതു ഏതവസ്ഥയിലായിരിക്കും എന്നും തിരിച്ചറിയാന്‍ കഴിയും. X-ray-excited resonance tunnelling (X-ERT) എന്നാണ് ഇവര്‍ ഇതിനു നല്‍കിയിരിക്കുന്ന പേര്. ഇത് നിരവധി രംഗങ്ങളില്‍ വലിയ മുന്നേറ്റത്തിനു സാധ്യത സൃഷ്ടിക്കും. ഇതേ ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ ഇതേ വിദ്യ ഉപയോഗിച്ച് ടെര്‍ബിയത്തിന്റെ ആറ്റങ്ങളെയും ഒറ്റപ്പെടുത്തി പരീക്ഷണങ്ങള്‍ക്ക് വിധേയമാക്കിയിട്ടുണ്ട്. ഭാവിയില്‍ ഇത് ഈ രംഗത്ത് വിപ്ലവകരമായ മാറ്റങ്ങള്‍ക്ക് കാരണമായേക്കാം.
2024 ഫെബ്രുവരി ലക്കം ശാസ്ത്രഗതിയിൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ലേഖനം
Happy
9 %
Sad
0 %
Excited
64 %
Sleepy
9 %
Angry
0 %
Surprise
18 %
0
0
