मिका बोमाईस्टर यांनी अनस्प्लाशद्वारे घेतलेले छायाचित्र
भौतिकशास्त्रज्ञांना विद्युतशक्ती आणि चुंबकत्व यांच्यातील परस्परसंबंधाचे आकलन झाल्याला जवळपास एक शतकापेक्षा जास्त काळ लोटला आहे. त्यापूर्वी या दोन्ही घटकांचे स्वतंत्र अस्तित्व मानले जात असे परंतु आता त्यांच्यातील या गुंतागुंतीच्या संबंधांना एकत्रितपणे ‘इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम’ या नावाने ओळखले जाते. आजमितीला इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम या खूप चांगल्याप्रकारे अभ्यासलेल्या तत्वावरच मोठमोठ्या विद्युतनिर्मिती केंद्रांपासून ते अगदी आपल्या घरातील पंख्यापर्यंत तसेच नानातऱ्हेच्या इलेक्ट्रॉनिक वस्तूंपर्यंत सर्व काही चालते. ज्या आधुनिक जगात आपण राहतो आहोत त्यावर हेच तत्व प्रामुख्याने अधिराज्य करत आहे असे म्हटले तरी ते वावगे ठरणार नाही.
आजही शास्त्रज्ञ बर्‍याचदा चुंबकत्वास नियंत्रित करण्यासाठी विद्युतशक्तीचा वापर करतात, ज्यामुळे त्यांना संगणकाचा वेग वाढविता येतो. तथापि चुंबकीय शक्तीपासून (काळानुरूप बदलत जाणारी) विद्युतनिर्मिती देखील केली जाऊ शकते हे एकोणिसाव्या शतकात प्रथम निदर्शनास आले. एका नवीन अभ्यासानुसार, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी बॉम्बे) येथील संशोधकांच्या एका गटाने प्रथमच फेरोमॅग्नेट वापरून चुंबकीय शक्तीपासून विद्युतनिर्मिती करण्याचा प्रयोग यशस्वी करून दाखवला आहे. फेरोमॅग्नेट हा एक निसर्गात सापडणारा व चुंबकशक्ती असणारा दुर्मिळ घटक आहे ज्याची जाडी अणुथराइतकीच असते. या प्रयोगाद्वारे त्यांनी चुंबकत्व आणि विद्युत या दोन्ही तत्वांचा आण्विक स्तरावर कसा उलटसुलट परस्पर संबंध असतो हे स्पष्ट केले आहे. या अभ्यासाला भारत सरकारच्या विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभागाने (डीएसटी) अर्थसहाय्य दिले असून हा शोधनिबंध सायन्स अ‍ॅडव्हान्सेस (Science Advances) या नियतकालिकामध्ये प्रकाशित करण्यात आला होता.
या परिणामाचा अभ्यास करण्यासाठी, संशोधकांनी अत्याधुनिक विद्युतमंडलातून विद्युत प्रवाह संचारित केला, ज्यामुळे एक चुंबकीय क्षेत्र तयार झाले. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझमच्या नियमांनुसार, या चुंबकीय क्षेत्राचा त्याच्या आसपासच्या कोणत्याही चुंबकावर परिणाम दिसून येतो. त्यानंतर, त्यांनी या विद्युत मंडलाच्या अगदी जवळ, ऑक्साईड आणि फेरोमॅग्नेटमधील अत्यंत पातळ अणूथराचा पापुद्रा असलेले एक उपकरण ठेवले. या पापुद्रयामध्ये चुंबकाद्वारे उत्पादित विद्युत क्षेत्राचे मोजमाप करून, त्यांनी सिद्ध केले की तयार झालेल्या विद्युतक्षेत्राची दिशा चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेबरहुकूम बदलते.
ऑक्साइड आणि फेरोमॅग्नेट यामधील आण्विक स्तरावरील हा पापुद्रा विशेष आहे. त्या स्तरावरील भौतिकी नियमांचा अभ्यास केल्यानंतर, संशोधकांना ज्ञात झाले की कोणतेही बाह्य चुंबकीय क्षेत्र केवळ या पातळ पापुद्रयामध्येच प्रवेश करू शकते परंतु त्याला भेदून पलीकडे जाऊ शकत नाही. बाहेरील विद्युतमंडलाद्वारे व्युत्पन्न झालेले चुंबकीय क्षेत्र बाह्य चुंबकीय क्षेत्राची भूमिका बजावते, ज्याची शक्ती पृथ्वीच्या चुंबकीय क्षेत्रापेक्षा एक हजार पट सुद्धा जास्त असू शकते! तथापि, प्रयोगशाळेत ऑक्साईड आणि फेरोमॅग्नेटमधील या पातळ पापुद्रयाचा नमुना तयार करणे सोपे नाही, कारण त्यात कोणतीही अशुद्धी असून चालत नाही. प्रस्तुत अभ्यासाच्या प्रमुख लेखिका, भारतीय तंत्रज्ञान संस्थेच्या, डॉ. अंबिका शंकर शुक्ला म्हणतात, “आम्हाला हा नमूना अतिशय शुद्ध आहे याची काळजी घ्यावी लागली.” खरं तर, या प्रयोगासाठी लागणारा नमुना त्यांनी जपानमधील त्यांच्या सहकाऱ्यांकडून आयात केला होता.
पापुद्रयात निर्मित झालेल्या चुंबकीय क्षेत्राची दिशा बदलून विद्युतनिर्मिती करण्याचा हा उलटा प्रयोग यापूर्वी आण्विक स्तरावर कधी केला गेला नव्हता आणि म्हणूनच गटातील संशोधक या कामाकरता अत्यंत उत्सुक होते. याचे सखोल निरीक्षण करण्यासाठी, त्यांनी मंडलातील विद्युतप्रवाहामध्ये बदल केला आणि पातळ पापुद्रयाजवळ दुसरे एक विद्युतमंडल ठेवले. “तथापि, त्याचा परिणाम पडताळण्यासाठी या दोन विद्युतमंडलांना आणि पातळ पापुद्रयाला एकमेकापासून पूर्णपणे स्वतंत्र ठेवणे गरजेचे होते.” असे या प्रकल्पाचे पर्यवेक्षण करणारे प्रा. अश्विन तुळापूरकर म्हणतात. प्रयोगाच्या या रचनेमुळे विद्युतनिर्मितीची कारणे आणि परिणाम भिन्न आहेत हे सुनिश्चित झाले, तसेच असा उलटा प्रभाव खरोखरच दृश्यमान होत आहे हेही निर्णायकपणे सिद्ध झाले.
जेव्हा पहिल्या विद्युतमंडलातून संशोधकांनी वेगवेगळ्या प्रमाणात विद्युत प्रवाह संचारित केला तेव्हा त्यांना असे आढळले की पातळ पापुद्रयात व्युत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र काळानुसार बदलते. इतकेच नाही तर यामुळे, दुसऱ्या, पूर्णपणे स्वतंत्र, विद्युतमंडलामध्ये विद्युत प्रवाह संचारीत होण्याइतपत शक्तिशाली अशा विद्युतक्षेत्राची उत्पत्ती झाली.
डॉ. शुक्ला यांनी ठामपणे सांगितले की, “पहिल्यांदाच आण्विक स्तरावर अशा प्रमाणात उलटसुलट परिणाम दिसून आला आहे.”
प्रस्तुत प्रयोगाद्वारे संशोधकांनी असे सिद्ध केले की या उलट परिणामाच्या सहाय्याने ते चुंबकत्वाची शक्ती तसेच त्याची दिशा प्रत्यक्ष फिरवावे न लागता नियंत्रित करू शकतात. संशोधकांच्या मते याचा वापर करून त्यांना मेमरी (किंवा स्टोरेज) साधने तयार करण्यात मदत होऊ शकते. बाह्य विद्युतमंडल नियंत्रित करून, त्यांना दिशेबरहुकूम बदलणाऱ्या चुंबकत्वाची निर्मिती दोन वेगळ्या अवस्थेत करता येऊ शकते. हे ज्ञान त्यांना दुहेरी स्थिती असलेली साधने बनविण्यास सक्षम करेल जे आधुनिक इलेक्ट्रोनिक्सचे पायाभूत घटक आहेत.
प्रस्तुत प्रयोगांतर्गत सिद्ध झालेला उलटा प्रभाव हे देखील दर्शवितो की बाह्य क्षेत्राबद्दलची माहिती, इलेक्ट्रॉनिक घटकांच्या मूलभूत गुणधर्मांच्या आधारे म्हणजेच इलेक्ट्रॉनच्या मदतीने चुंबकीय सामुग्रीद्वारे कशी प्रसारित करता येऊ शकते. डॉ. शुक्ला स्पष्ट करतात, "पारंपारिक मेमरी उपकरणांच्या तुलनेत, या गुणधर्मांच्या आधारे, माहिती प्रसारित करण्यास सुमारे हजार पट कमी उर्जाक्षय होतो. आम्ही आता एक असे मेमरी उपकरण तयार करण्याच्या प्रयत्नात आहोत ज्याला खूप कमी उर्जा लागेल,” असे ते शेवटी म्हणाले.