ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് പിന്നാലെ

അതിസൂക്ഷ്മ കണങ്ങളായ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലനങ്ങൾ കൃത്യമായി മനസ്സിലാക്കുകയെന്നത് ശാസ്ത്രത്തിന്റെ എക്കാലത്തെയും വലിയ ഒരു സമസ്യയാണ്. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സ്ഥാനചലനങ്ങളും വേഗതയും വിവിധ ഭൗതികപ്രഭാവങ്ങൾക്ക്‌ കാരണമായി തീരുന്നതുകൊണ്ടുതന്നെ അവയെക്കുറിച്ചുള്ള കൃത്യമായ അറിവ് പ്രധാനവും. ഇലക്ട്രിക് കറന്റുകൾ, ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ, വിവിധയിനം സൂക്ഷ്മദർശിനികൾ തുടങ്ങിയവയെല്ലാം ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലനവുമായും അവയുടെ അടിസ്ഥാനസ്വഭാവ സവിശേഷതകളുമായും ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ഒരു പ്രത്യേക സമയത്ത് അവയുടെ സ്ഥാനം നിർണയിക്കുക എന്നത് അത്ര എളുപ്പമുള്ള കാര്യമല്ല. അതിസൂക്ഷ്മകണങ്ങളായ ഇലക്ട്രോണുകൾ അവയുടെ കണികാസ്വഭാവത്തോടൊപ്പം ഒരു തരംഗസ്വഭാവവും കാണിക്കുന്നുവെന്നതാണ്‌ ഇ‍ൗ സങ്കീർണതയ്ക്ക്‌ കാരണം. ഈ ദിശയിലെ ഗവേഷണങ്ങൾക്ക്‌ വഴിത്തിരിക്കുകയാണ്‌ ജർമനിയിലെ റേഗൻസ്ബർഗ് സർവകലാശാലയിലെ ഹ്യൂബർ, റെപ് എന്നിവരടങ്ങുന്ന ഗവേഷകരുടെ കണ്ടെത്തലുകൾ. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സ്ഥാന-സമയ നിർണയം കൂടുതൽ കൃത്യതയോടെ നടത്താൻകഴിയുന്ന പുതിയ ഒരു സാങ്കേതിക സംവിധാനമാണ് ഇവർ വികസിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നത്.

അറ്റോസെക്കൻഡ് ലോകത്തേയ്ക്ക്‌

അതി തീവ്രവേഗതയിൽ (പ്രകാശത്തിന്റെ വേഗതയുടെ ഏകദേശം ഒരു ശതമാനത്തോളം) സഞ്ചരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെക്കുറിച്ചുള്ള ഏതൊരുതരം പഠനവും അത്യന്തം പ്രയാസകരമാണ്‌. ഇത്തരം വേഗതകളിൽ സഞ്ചരിക്കുന്ന കണങ്ങളുടെ അവസ്ഥാമാറ്റങ്ങൾ തീരെ ചെറിയതും നമ്മുടെ സങ്കൽപ്പത്തിനതീതവും ആയ ഇടവേളകൾക്കുള്ളിലാണ് സംഭവിക്കുക. ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സൂക്ഷ്മലോകത്ത്‌ സമയക്രമം അറ്റോസെക്കൻഡിന്റെ രൂപത്തിലാണ്. (ഒരു സെക്കൻഡിന്റെ നൂറുകോടിയിൽ ഒരുഭാഗത്തെ നാനോസെക്കന്റ് എന്നും ഒരു നാനോസെക്കന്റിന്റെ നൂറുകോടിയിൽ ഒന്നിനെ അറ്റോസെക്കൻഡ് എന്നും വിളിക്കുന്നു). ഈ സമയത്തിനുള്ളിലാണ്‌ ആറ്റത്തിനുള്ളിലെ ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക്, അവയുടെ സ്ഥിതിയിലും ഊർജത്തിലും മാറ്റങ്ങൾ സംഭവിക്കുന്നത്. അതുകൊണ്ടുതന്നെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ യഥാർഥ ചലനം മനസ്സിലാക്കണമെങ്കിൽ അറ്റോസെക്കൻഡ് ലോകത്തേക്ക്‌ പ്രവേശിക്കേണ്ടിവരും. കഴിഞ്ഞ ഏതാനും വർഷങ്ങളായി വേഗത്തിൽ വളരുന്ന ശാസ്ത്രമേഖലയാണ്‌ അറ്റോസെക്കൻഡ് ഭ‍ൗതികശാസ്ത്രം. 2023-ലെ ഭൗതിക ശാസ്ത്ര നൊബേൽ സമ്മാനവും ഈ മേഖലയിലെ ഗവേഷണങ്ങൾക്കാണ്.

ഇലക്ട്രോണുകളുടെ അതിവേഗചലനം പഠിക്കാൻ പ്രകാശത്തിന്റെ അതിസൂക്ഷ്മ സ്പന്ദനങ്ങളെ ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് ഗവേഷണങ്ങൾ തെളിയിച്ചു. അറ്റോസെക്കൻഡ്തലത്തിലുള്ള ഈ പഠനങ്ങൾ, ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് എപ്പോൾ അവസ്ഥാമാറ്റം സംഭവിക്കുന്നു, അവയ്ക്ക് എപ്പോൾ ഊർജം നഷ്ടപ്പെടുന്നു, എപ്പോൾ ഊർജം ലഭിക്കുന്നു തുടങ്ങിയ സമയ സംബന്ധിയായ ചോദ്യങ്ങൾക്ക് ഉത്തരം നൽകി.

സങ്കീർണതകളേറെ

ഇലക്ട്രോണുകൾ എപ്പോൾ പ്രതികരിക്കുന്നുവെന്നതിന് കൃത്യത വന്നുവെങ്കിലും അവ തത്സമയം എവിടെയാണെന്നത്‌ അതേ കൃത്യതയിൽ നിരീക്ഷിക്കാൻ പ്രകാശരശ്മികളുടെ അതിസൂഷ്മ സ്പന്ദനങ്ങൾകൊണ്ട്‌ കഴിഞ്ഞിരുന്നില്ല. ആറ്റങ്ങളുടെയും ഇലക്ട്രോണുകളുടെയുമൊക്കെ സ്ഥാനം കൃത്യമായി കണ്ടുപിടിക്കാൻ അഥവാ അവ എവിടെയാണെന്ന്‌ അറിയാൻ ഉപയോഗിക്കുന്നതാണ്‌ സ്കാനിങ്‌ ടണലിങ്‌ മൈക്രോസ്കോപ് (STM). എന്നാൽ, ഇ‍ൗ ഉപകരണമാകട്ടെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സ്ഥാനം കൃത്യമായി കാട്ടിത്തരുമെങ്കിലും, അവയുടെ അതിവേഗ സമയപരമായ മാറ്റങ്ങൾ പിന്തുടരാൻ കഴിവുള്ളതായിരുന്നില്ല. അഥവാ, ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സ്ഥാനവും സമയവും ഒരുപോലെ ഒരേകൃത്യതയിൽ അളക്കുക എന്നതും അവയുടെ സ്വഭാവസവിശേഷതകളെ സൂക്ഷ്മതലത്തിൽ മനസ്സിലാക്കുക എന്നതും അതിസങ്കീർണമായ ഒരുസാധ്യതയായി അവശേഷിച്ചു. ഇവിടെയാണ് ജർമനിയിലെ ഗവേഷകർ നടത്തിയ പുതിയപഠനം വഴിത്തിരിവായത്‌. അറ്റോസെക്കൻഡ്തലങ്ങളിലെ സമയകൃത്യതയോടെയും ആംസ്ട്രോങ്തലങ്ങളിലെ സ്ഥാനകൃത്യതയോടെയും ഒരു ഇലക്ട്രോണിനെ നിരീക്ഷിക്കാവുന്ന സംവിധാനമാണ് ഇവർ വികസിപ്പിച്ചത്. (ഒരു സെന്റിമീറ്ററിന്റെ 10 കോടിയിൽ ഒരുഭാഗമാണ് ആംസ്ട്രോങ്)

തരംഗ പാക്കറ്റ്

പദാർഥങ്ങളെ അതിസൂക്ഷ്മതലത്തിൽ അവലോകനം ചെയ്യുന്ന ക്വാണ്ടം ഭൗതികത്തിൽ, ഇലക്ട്രോണുകൾ കണികകളുടെയും തരംഗങ്ങളുടെയും സ്വഭാവം കാണിക്കുന്നതായി കണ്ടെത്തിയിട്ടുണ്ട്. ഒരൊറ്റ ബിന്ദുവിൽ മാത്രമായി ഒതുങ്ങിനിൽക്കാത്ത ഒരു സ്വഭാവസവിശേഷത, തരംഗസ്വഭാവം കൈവരിക്കുന്നതിലൂടെ ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക്‌ ലഭിക്കുന്നു. അതിനാൽ ക്വാണ്ടം ഭൗതികലോകത്ത്‌ ഇലക്ട്രോണിനെ ഒരു തരംഗ പാക്കറ്റ് എന്നനിലയിലാണ്‌ കാണുന്നത്‌. ഈ തരംഗ പാക്കറ്റിന്റെ ചലനമാണ് ഗവേഷകർ പിന്തുടർന്നത്.

ഒരു നിശ്ചിത ഊർജം ലഭിച്ചാൽ മാത്രം കടന്നുചെല്ലാവുന്ന ഇടങ്ങളിൽ, അത്രയും ഊർജം ഇല്ലാതെതന്നെ, ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് (തരംഗ പാക്കറ്റുകൾക്ക്) എത്തിച്ചേരാൻ കഴിയുന്ന സാധ്യതയാണ് ക്വാണ്ടം ടണലിങ്‌ എന്ന പ്രതിഭാസം.

പരമ്പരാഗത സ്കാനിങ്‌ ടണലിങ്‌ മൈക്രോസ്കോപ്പിന്‌ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ അതിവേഗ സമയപരമായ മാറ്റങ്ങൾ പിന്തുടരാൻ കഴിയുമായിരുന്നില്ല. അറ്റോസെക്കൻഡ്തലത്തിലുള്ള ഈ മാറ്റങ്ങളെ അപഗ്രഥിക്കാനായി നിലവിലെ സ്കാനിങ് ടണലിങ്‌ മൈക്രോസ്കോപ്പുകളിൽ അതിവേഗ ലേസർ പ്രകാശസ്പന്ദനങ്ങൾ സമന്വയിപ്പിക്കുകയാണ് ഗവേഷകർ ചെയ്തത്. പുതിയ സംവിധാനത്തിലൂടെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ടണലിങ്‌ പ്രക്രിയയെ മുമ്പെങ്ങുമില്ലാത്ത സ്ഥല -സമയ കൃത്യതയിൽ നിരീക്ഷിക്കാൻ കഴിഞ്ഞു.

സാധ്യതകൾ

ഇലക്ട്രോൺ ഉൾപ്പെടുന്ന സങ്കീർണമായ പ്രതിഭാസങ്ങളെ കൂടുതൽ മനസ്സിലാക്കാനും അപഗ്രഥിക്കാനുമുള്ള നൂതന ഉപകരണമായി പുതിയ പരീക്ഷണത്തെ കാണാം. ക്വാണ്ടം സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പുതിയ യുഗത്തിൽ, അതിവേഗ കംപ്യൂട്ടറുകൾ, ക്വാണ്ടം സെൻസറുകൾ, നാനോ ഇലക്ട്രോണിക്സ്, പ്രകാശസാങ്കേതികവിദ്യകൾ തുടങ്ങിയവയുടെ രൂപകൽപ്പനയിലും അനുബന്ധ ഗവേഷണങ്ങളിലും കുതിച്ചുചാട്ടങ്ങൾ നടത്താൻ സഹായകമാണ് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സ്ഥാന- സമയ കൃത്യതാപഠനങ്ങൾ.

(തിരുവനന്തപുരം യൂണിവേഴ്സിറ്റി കോളേജ് ഭൗതികശാസ്ത്ര വിഭാഗം മേധാവിയാണ്‌ ലേഖകൻ)