अतिसूक्ष्म गोष्टी आणि अतिवेगवान घटना पाहण्याचे तंत्र मानवाने विकसित केले तेव्हापासून एक नवे अद्भुत जगच खुले झाले. असे म्हणतात की हे विश्व अब्ज-अब्जावधी वर्षे अस्तित्वात आहे. विचार करा की एका सेकंदाच्या अब्ज-अब्जावधी भागात काय बरं घडत असेल? एका सेकंदाच्या एक अब्जाव्या भागाच्या एक अब्जाव्या भागाला एक ॲटोसेकंद म्हणतात. मानवाला आता शंभरपेक्षा कमी ॲटोसेकंद लांबीचे प्रकाश स्पंद निर्माण करणे शक्य झाले आहे. काही ॲटोसेकंद लांबीचे प्रकाशस्पंद निर्माण करणे ज्यांच्या कार्यामुळे शक्य झाले त्या ॲन ल’उईलिए, पिएर आगोस्तीनी आणि फेरेन्झ क्राउझ यांना २०२३ सालचे भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक दिले गेले.
भारतीयांसाठी विशेष अभिमानाची बाब म्हणजे ॲटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्रामध्ये भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी मुंबई) येथील भौतिकशास्त्रज्ञ प्रा. गोपाळ दीक्षित यांचे सक्रिय योगदान राहिले आहे.
ते म्हणतात, “आज ना उद्या ॲटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्राला नोबेल पारितोषिक मिळेल याची मला खात्री होती. हा निसर्गातील एक अतिशय मूलभूत विषय आहे.आगामी काळात पुंज (क्वांटम) तंत्रज्ञानामध्ये प्रचंड मोठी प्रगती घडवून आणण्याची क्षमता यामध्ये आहे.” प्रा. दीक्षित आणि त्यांचे सहकारी ॲटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या काही सैद्धांतिक पैलूंवर तसेच अनुप्रयोगांवर काम करत आहेत.
नोबेल पुरस्कारविजेते, त्यांचे सहकारी आणि इतर काही शास्त्रज्ञ ज्या प्रश्नांची उत्तरे शोधू पाहत आहेत, तेच प्रश्न दीक्षित व त्यांचे सहकारी सोडवू पाहत आहेत.
ॲटोसेकंद स्पंद : निर्मिती आणि उपयोग
१९९० च्या दशकात ॲन ल’उईलिए यांनी केवळ काहीशे ॲटोसेकंद लांबी असलेली प्रकाश स्पंदमाला निर्माण करण्याचा पाया रचला. प्रत्येक स्पंदांची लांबी इतकी कमी होती की त्यात स्पंदनांची काहीच आवर्तने होती. स्पंदमाला मिळवण्यासाठी त्यांनी निऑन या निष्क्रिय वायूच्या अणूंवर लेझर बीमचा मारा केला. जेव्हा लेझर बीम निष्क्रिय वायूच्या अणूवर आदळतो तेव्हा तो अणूमधील इलेक्ट्रॉनला ऊर्जा देतो. इलेक्ट्रॉन ही ऊर्जा शोषून घेतात, आणि काही कालावधीने ती प्रकाशाच्या स्वरूपात पुनरुत्सर्जित करतात. या पुनरुत्सर्जित प्रकाशाची वारंवारता मूळ प्रकाशाच्या वारंवारतेपेक्षा कित्येक पटीने जास्त असते. उत्सर्जित झालेले वेगवेगळ्या वारंवारतेचे प्रकाशतरंग विशिष्ट पद्धतीने मिसळून ॲन ल’उईलिए यांना ॲटोसेकंद लांबीचे स्पंद निर्माण करता आले. या अभ्यासाद्वारे मिळालेल्या माहितीचा वापर करून, २००१ मध्ये, पिएर आगोस्तीनी यांनी अगदी कमी कालावधीच्या स्पंदांची मालिका निर्माण केली. यातील प्रत्येक स्पंद केवळ २५० ॲटोसेकंदाचा होता. फेरेन्झ क्राउझ यांनी स्वतंत्रपणे केलेल्या प्रयोगात त्यांना ६५० ॲटोसेकंदाचा एकल स्पंद निर्माण करण्यात यश मिळाले.
इतक्या कमी कालावधीचा प्रकाश स्पंद निर्माण करता आल्यामुळे अनेक नवीन शक्यता निर्माण झाल्या आहेत. यातील एक महत्वाची गोष्ट म्हणजे वस्तूतील (मॅटर) इलेक्ट्रॉनच्या हालचाली आणि वर्तन कसे असते याचे निरीक्षण करणे शक्य झाले आहे. प्रकाश जेव्हा अणूवर आदळतो तेव्हा अणूतील इलेक्ट्रॉन मुक्त होतो (प्रकाशआयनीकरण) असे पूर्वानुमान आइनस्टाईनने वर्तवले होते. त्यावरून असे समजले जात असे की, प्रकाशाची ऊर्जा शोषून घेतल्यावर इलेक्ट्रॉन त्वरित (अजिबात वेळ न लागता) मुक्त होतो. परंतु, ॲटोसेकंद स्पंद शक्य झाल्यानंतर, २०१० मध्ये, क्राउझ यांनी निऑनच्या अणूपासून इलेक्ट्रॉन मुक्त होण्याच्या प्रक्रियेचे निरीक्षण केले व इलेक्ट्रॉनला मुक्त होण्यास किती वेळ लागतो हे मोजले. त्यांना असे दिसले की, ही प्रक्रिया त्वरित तर होत नाहीच (इलेक्ट्रॉन काही ॲटोसेकंदांनंतर मुक्त होतो), शिवाय तो मुक्त होण्यासाठी लागणारा वेळ हा इलेक्ट्रॉनच्या आधी असलेल्या उर्जेवर अवलंबून असतो. २०११-२०१२ मध्ये ल’उईलिए यांनी हाच प्रयोग अरगॉन वायू वापरून केला.
प्रयोगाचे निष्कर्ष आणि सिद्धांत यांचा पडताळा
प्रयोगांनंतर काही काळ, सैद्धांतिक प्रारूपांमधील माहिती तपशील प्रयोगातील निष्कर्षांसह जुळवण्यात भौतिकशास्त्रवेत्त्यांंना यश येत नव्हते. २०१३ मध्ये प्रा. दीक्षित आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी मांडलेल्या सैद्धांतिक पद्धती मध्ये ल’उईलिए यांच्या प्रयोगातील तीनपैकी दोन तपशील जुळले. त्यामुळे हे प्रयोग अचूक असून सिद्धांताशी जुळत आहेत याबाबत भौतिकशास्त्रवेत्त्यांंची खात्री पटण्यास मदत झाली.
ज्याप्रमाणे प्रकाश स्पंदापासून ऊर्जा शोषून इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्थितीमध्ये जातो (प्रकाशआयनीकरण) त्याचप्रमाणे तो प्रकाशाच्या स्वरूपात ऊर्जा बाहेर देखील टाकू शकतो (प्रकाशउत्सर्जन) आणि अणूशी जोडला जाऊ शकतो (प्रकाशपुनःसंयोजन). आगोस्तीनी यांनी २०१४ मध्ये, वायूरूपातील आरगॉनच्या इलेक्ट्रॉनच्या प्रकाशउत्सर्जन व प्रकाशपुनःसंयोजन प्रक्रियांच्या वेळाचे मापन केले. या मोजमापांसाठी त्यांनी असे गृहीत धरले होते की फोटोआयोनायझेशन ही केवळ कालगती उलटी फिरवलेली (काल-प्रतिक्रमित) फोटोरिकॉम्बिनेशन प्रक्रिया आहे. उपलब्ध सैद्धांतिक पद्धतींच्या सहाय्याने या प्रयोगांमध्ये दिसणाऱ्या निष्कर्षाचे संपूर्ण स्पष्टीकरण मिळत नव्हते. प्रा. दीक्षित यांच्या २०१५च्या अभ्यासातून प्रयोगातील तपशील सैद्धांतिक प्रारूपामध्ये यशस्वीरित्या जसेच्या तसे पुन्हा निर्माण करता आले. त्यातून हे प्रस्थापित झाले की प्रकाशउत्सर्जन व प्रकाशपुनःसंयोजन या एकमेकींच्या काल-प्रतिक्रमित प्रक्रिया आहेत.
“आगोस्तीनी यांच्या प्रयोगाची वैधता पडताळून पाहिल्याने ॲटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्रात कार्यरत असलेल्या संशोधकांना प्रकाशउत्सर्जन व प्रकाशपुनःसंयोजन या प्रक्रियांना लागणारा काल मोजता येणे शक्य आहे असा विश्वास मिळाला.” प्रा. दीक्षित यांनी सांगितले.
आण्विक प्रक्रियेचे स्थिर व चलत् चित्रण
ॲटोसेकंद स्पंदांचा वापर करून अवआण्विक घटनांचे चित्रण करताना ‘पंप-प्रोब’ तंत्र वापरले जाते. ॲटोसेकंद स्पंद निर्मिती प्रक्रियेच्या वेळी इलेक्ट्रॉनला ऊर्जा देण्यासाठी ज्या प्रकाश स्पंदाचा वापर होतो त्याला ‘पंप’ स्पंद म्हणतात. याशिवाय, ज्याचा अभ्यास करायचा आहे त्या अणूंच्या इलेक्ट्रॉन्सने सोडलेल्या प्रकाशापासून तयार झालेल्या रचना ‘वाचण्यासाठी’ (त्यांचे मापन करण्यासाठी) आणखी एक प्रकाश स्पंद वापरला जातो, ज्याला ‘प्रोब’ स्पंद म्हणतात. या रचनांचे नंतर अर्थ लावून त्यावरून प्रयोगाशी संबंधित घटनांबद्दल माहिती गोळा केली जाते.
“एखाद्या इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीचा काळ व वारंवारता याबाबतची माहिती या ॲटोसेकंद पंप-प्रोब तंत्राच्या प्रयोगांमधून मिळते. मात्र इलेक्ट्रॉनच्या चलनवलनाचे प्रत्यक्ष आणि त्रिमितीय (रियल टाइम, रियल-स्पेस) चलचित्र बनवावे असे संशोधकांचे स्वप्न आहे. घन पदार्थांच्या आत काय चालले आहे ते बघायला आपल्याला क्ष-किरणांची मदत होऊ शकते, कारण क्ष-किरण पदार्थाचा पृष्ठभाग भेदून आत पोहोचू शकतात. कालांतराने होत जाणाऱ्या बदलांचे निरीक्षण करण्यासाठी ‘काल-विभेदित क्ष-किरण विकिरण’ (टाइम रिसॉल्व्हड् एक्स-रे स्कॅटरिंग) ही अत्यंत बहुपयोगी पद्धत वापरली जाते. या पद्धतीमुळे चलचित्र बनवणे शक्य होते, ” प्रा. दीक्षित सांगतात.
पण एक समस्या अशी उद्भवते की क्ष-किरणांची इलेक्ट्रॉनसह अभिक्रिया होत असल्याने या पद्धतीने केलेल्या चित्रणामध्ये विकृती निर्माण होते. प्रा. दीक्षितांच्या सैद्धांतिक कार्यामुळे विकृतीचा प्रभाव नाहीसा करून, मिळालेल्या प्रतिमांवर प्रक्रिया करून, इलेक्ट्रॉनच्या हालचाली दाखवणारे अधिक अचूक आणि स्पष्ट चलचित्र करणे शक्य झाले.
निर्माण केलेल्या ॲटोसेकंद स्पंदाची ध्रुवीकरण स्थिती (प्रसाराच्या दिशेच्या अनुषंगाने विद्युत व चुंबकीय स्पंदनांची दिशा) काय आहे हे वर्तवू शकेल अशी एक पद्धती देखील प्रा. दीक्षित यांनी तयार केली आहे. ज्या वस्तूचे चित्र घ्यायचे आहे त्या वस्तूचे विशिष्ट गुणधर्म जाणून घेण्यासाठी पंप स्पंदाची ध्रुवीकरण स्थिती माहीत असणे उपयुक्त ठरते. उदा. एखाद्या रेणूमधील अणूंची रचना वामहस्त (डाव्या हातासारखी) आहे का दक्षिणहस्त (उजव्या हातासारखी) हे जाणून घेता येते. काही रेणूंमध्ये अणूंची मांडणी दोन वेगळ्या प्रकारची असू शकते (कायरल किंवा हस्तसम रेणू). म्हणजेच आपल्या उजव्या आणि डाव्या हातांप्रमाणेच, एका मांडणीचे आरशातील प्रतिबिंब दुसऱ्या रचनेवर ठेवल्यास तंतोतंत जुळत नाही. रेणूंमधली नेमकी मांडणी ठाऊक असणे गरजेचे आहे कारण रेणूंची एका प्रकारची मांडणी असलेले संयुग उपयुक्त असू शकते (उदा. एखादे औषध) तर दुसरी रचना निरुपयोगी किंवा अगदी विषारी देखील असू शकते.
आणखी एका अभ्यासात प्रा. दीक्षित आणि त्यांच्या सहकारी गटाने रेणूमधील इलेक्ट्रॉन्सच्या हालचालींचा अंदाज बांधण्यात मदत व्हावी म्हणून रेणूमधील विद्युत प्रभाराचे वितरण कसे आहे याचे निरीक्षण करण्यासाठी पंप-प्रोब तंत्राचा वापर केला. जेव्हा गुंतागुंतीच्या रासायनिक क्रिया घडतात तेव्हा रेणूंमध्ये इलेक्ट्रॉन्सची देवाण-घेवाण कशाप्रकारे घडते हे जाणून घेण्यासाठी या प्रयोगाच्या निष्कर्षांचा उपयोग होतो.
प्रा. दीक्षित यांच्या अलीकडील एका अभ्यासात अशा संयुगांमधील विद्युत प्रभाराच्या हालचालीचा शोध घेण्याचा प्रयत्न केला गेला आहे, ज्यांमधील रेणूंमध्ये कार्बन आणि इतर मूलद्रव्ये असलेल्या पाच घटकांच्या वलयाकृती रचना असतात.
ॲटोसेकंद स्पंदाच्या स्रोतात सुधारणा
सुरुवातीच्या काळात विकसित झालेल्या ॲटोसेकंद स्पंद निर्माण करण्याच्या पद्धती गुंतागुंतीच्या होत्या. त्यांमध्ये वायूंचा वापर होत असून त्यासाठी अवजड आणि खर्चिक उपकरणांची गरज होती. ॲटोसेकंद स्पंदांचा विस्तृतपणे वापर करता यावा यासाठी स्पंदांचा कालावधी, वारंवारता आणि ध्रुवीकरण यावर अधिक नियंत्रण गरजेचे होते. तसेच, प्रकाशाचे स्त्रोत ने आण करण्यास आणि वापरण्यास सोपे असणे आवश्यक होते.
प्रा. दीक्षित व त्यांचे सहकारी घन पदार्थांचा उपयोग करून ॲटोसेकंद स्पंद निर्माण करण्याच्या योजनांवर काम करत आहेत.
“घन पदार्थांचा उपयोग करून ॲटोसेकंद स्पंद निर्माण करता आले तर ॲटोसेकंद भौतिकशास्त्र आणि फोटॉनिक्स या क्षेत्रांमध्ये क्रांतिकारी बदल होतील. कारण त्यामुळे प्रयोगाचे साहित्य आटोपशीर होईल आणि अधिक तिव्रतेचे स्पंद निर्माण करता येतील. जसे आत्ता आपण इतर लेजर स्रोत खरेदी करतो त्याचप्रमाणे भविष्यात, ॲटोसेकंद लेझर स्पंद निर्माण करणारे उपकरण एखाद्या विक्रेत्याकडून सहजपणे खरेदी करता येईल,” अशी आशा प्रा. दीक्षित व्यक्त करतात.
याचबरोबर, इच्छित ध्रुवीकरण असलेले प्रकाश-स्पंद निर्माण करण्यासाठी आवश्यक सिद्धांत देखील त्यांनी मांडला आहे.
ॲटोसेकंद-आधारित पुंज (क्वांटम) तंत्रज्ञान
संगणक अधिकाधिक वेगवान होत चालले असले तरी, क्लॉक स्पीडने, म्हणजेच संगणनातील प्रत्येक पायरी पार पडण्याच्या गतीने आता मर्यादा गाठली आहे. पुंज संगणनामुळे (क्वांटम कम्प्युटिंग) या गतीची मर्यादा पार होऊन संगणनाच्या वेगामध्ये अनेक पटींनी वाढ होईल असे समजले जाते.
प्रा. दीक्षितांच्या गटाने केलेल्या एका सैद्धांतिक अभ्यासात असे सिद्ध झाले की, ‘वर’ किंवा ‘खाली’ असू शकणाऱ्या इलेक्ट्रॉन आभ्रास (स्पिन) या इलेक्ट्रॉन्सच्या गुणधर्माचा वापर अतिउच्च वारंवारता असलेली स्पंदने निर्माण करण्यासाठी करता येऊ शकतो. याचा वापर संगणकामध्ये क्लॉक म्हणून करता येऊ शकतो. ज्याप्रमाणे सिलिकॉनमध्ये नियंत्रित प्रमाणात अशुद्धी किंवा अपद्रव्ये मिसळून गुंतगुंतीची अति-वेगवान इलेक्ट्रॉनिक सर्किट तयार करणे शक्य झाले, त्याचप्रमाणे विशिष्ट पदार्थांमध्ये विशिष्ट दोष निर्माण केले तर त्या पदार्थांचा निव्वळ आभ्रास बदलता येऊ शकतो. अशा पदार्थांवर जेव्हा प्रकाश टाकला जातो तेव्हा इलेक्ट्रॉन्स वेगाने कंप पावतात व त्यातून मूळ प्रकाशाच्या वारंवारतेपेक्षा बऱ्याच जास्त वारंवारतेची स्पंदने निर्माण होतात.
प्रा. दीक्षित म्हणतात, “पहिल्यांदाच, आम्ही हे दाखवून दिले आहे की मूळ वारांवारीतेपेक्षा बरीच जास्त असलेली स्पंदनांची वारंवारता नियंत्रित करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनचा आभ्रास वापरला जाऊ शकतो. या शोधाचा वापर करून, जर काळजीपूर्वकपणे विशिष्ट दोष निर्माण केलेल्या पदार्थांवर लेझर स्पंद फेकले तर प्रोसेसरच्या क्लॉक स्पीडमध्ये किमान हजार पट वाढ करता येईल.”
या गटाच्या आणखी एका अलीकडच्या संशोधनाद्वारे, इलेक्ट्रॉनचा आणखी एक गुणधर्म - दरी स्थिती (व्हॅली स्टेट्स) ओळखणे आणि नियंत्रित करणे यावर काम केले जात आहे. दरी स्थितीचा उपयोग पुंज संगणनाचे एकक, म्हणजेच क्यूबिट म्हणून करता येणे शक्य आहे असे मानले जाते. क्यूबिट वाचण्याचा व नियंत्रित करण्याचा वेग वाढवता आला तर पुंज संगणनाचा वेग वाढवणे शक्य होईल.
“कोणत्याही संशोधनाचे अंतिम उद्दिष्ट हे मानवी जीवनाचा दर्जा उंचावणे हेच असते. ॲटोसेकंद भौतिकशास्त्राच्या सहाय्याने रसायनशास्त्रज्ञ नव्या रेणूंची रचना करू शकतील, साधारण तापमानात टेबलवर मावेल अशा आकाराच्या उपकरणाद्वारे पुंज संगणन शक्य होईल आणि कदाचित कर्करोगाचे निदान लवकर करणे शक्य होईल,” प्रा. दीक्षित शेवटी म्हणाले.