ഇലക്ട്രോണിന്റെ ജ്യാമിതി; ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സിൽ നിർണായക നേട്ടം

നമുക്കുചുറ്റും കാണുന്ന വസ്തുക്കൾക്കൊക്കെ ഓരോ ആകൃതിയുണ്ടല്ലോ. എന്നാൽ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ആകൃതി എന്താണ്. ഇലക്ട്രോണിന്റെ ആകൃതി തിരിച്ചറിയാനുള്ള ഗവേഷണത്തിൽ പുതിയ വഴിത്തിരിവുണ്ടാക്കിയിരിക്കുകയാണ് മസ്സാച്ചുസെറ്റ്സ് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ടെക്നോളജി ഗവേഷകർ. എന്നാൽ ഇത് ഇലക്ട്രോണിന്റെ പുറം രൂപത്തിന്റെ ആകൃതിയല്ല. ഒരു ഖരപദാർഥത്തിലൂടെ നീങ്ങുന്ന ഇലക്ട്രോണിന്റെ ക്വാണ്ടം വേവ് ഫങ്ഷൻ ജ്യാമിതി അളന്നാണ് ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സിൽ നിർണായക വഴിത്തിരിവാകുന്ന നേട്ടം ഗവേഷകർ കൈവരിച്ചത്. വ്യത്യസ്ത പദാർഥങ്ങളിൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ എങ്ങനെ പെരുമാറുന്നു എന്നു മനസ്സിലാക്കാനുള്ള പുതുവഴി തുറന്ന ഈ ഗവേഷണം ക്വാണ്ടം ഇൻഫർമേഷൻ സയൻസുമുതൽ ഇലക്ട്രോണിക്സിൽവരെ പുതു സാധ്യതകളാണ് തുറക്കാൻ പോകുന്നത്. എംഐടിയിലെ ഊർജതന്ത്ര ഗവേഷകനായ റിക്കാർഡോ കോമിന്റെ നേതൃത്വത്തിൽ വിവിധ ഗവേഷണ സ്ഥാപനങ്ങളിലെ ഗവേഷകരുടെ വർഷങ്ങൾനീണ്ട സംയുക്ത ഗവേഷണങ്ങളാണ് വിജയം കണ്ടത്.

അതിസൂക്ഷ്മ രഹസ്യങ്ങളിലേക്ക്

ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് കണികാ സ്വഭാവത്തിനൊപ്പം തരംഗ സ്വഭാവവും ഉണ്ട് (ദ്വൈത സ്വഭാവം) എന്നതുകൊണ്ടുതന്നെ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ആകൃതി കണ്ടുപിടിക്കുക എന്നത് സങ്കീർണമായ പ്രക്രിയയായിരുന്നു. ARPES (ആംഗിൾ റിസോൾവ്ഡ് ഫോട്ടോ എമിഷൻ സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പി) സങ്കേതത്തിലൂടെയാണ് ഇലക്ട്രോണുകളിൽ പ്രകാശം വന്നു തട്ടുമ്പോഴുള്ള മാറ്റങ്ങൾ ഗവേഷകർ പഠിച്ചത്. സാധാരണയായി ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഊർജവും പ്രവേഗവും ആണ് പ്രതിപാദിക്കാറുള്ളത്. എന്നാൽ ഒരു ഖരവസ്തുവിൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ അണിനിരക്കുന്ന പാറ്റേണുകളെക്കുറിച്ച് അഥവാ ജ്യാമിതിയെക്കുറിച്ച് അറിവുകൾ പരിമിതമായിരുന്നു. ഈ കണങ്ങൾ എങ്ങനെ ഇന്ററാക്റ്റ് ചെയ്യുന്നു, ജോടികളാകുന്നു, അസ്വാഭാവികമായ സവിശേഷതകൾ കാണിക്കുന്നു... ഇവയൊക്കെ നിർണയിക്കുന്നതിൽ സവിശേഷ പ്രാധാന്യമുണ്ട് അവയുടെ ക്വാണ്ടം ജ്യാമിതിക്ക്. ഇത്തരം സവിശേഷതയ്ക്ക് ഉദാഹരണം സൂപ്പർ കണ്ടക്റ്റിവിറ്റി (അതിചാലകത) തന്നെ. ഒരു ചാലകത്തിലൂടെ പ്രതിരോധം ഒട്ടുമില്ലാതെ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒഴുകുന്ന പ്രതിഭാസമാണ് അതിചാലകത. ക്വാണ്ടം ജ്യാമിതി രഹസ്യങ്ങൾ വെളിച്ചത്തുവരുന്നതോടെ ഇത്തരം നൂതന സവിശേഷതകളുള്ള പദാർഥങ്ങളുടെ ഡിസൈനിങ്ങും സാധ്യമാകും.

കഗോമെ മെറ്റലിൽ പരീക്ഷണം

കഗോമെ മെറ്റൽസ് എന്നു വിശേഷിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ക്വാണ്ടം പദാർഥങ്ങളിലാണ് ഗവേഷക സംഘം ഇലക്ട്രോൺ വേവ് ഫങ്ഷന്റെ ജ്യാമിതീയ സവിശേഷതകൾ അളന്നത്. ജപ്പാൻകാർ ഉപയോഗിക്കുന്ന പ്രത്യേകതരം മുളങ്കൂടുകളിലെ ത്രികോണങ്ങൾക്കും ഷഡ്ഭുജങ്ങൾക്കും സമാനമായ പാറ്റേൺ ഇവയ്ക്കുള്ളിൽ കാണപ്പെടുന്നതാണ് ഈ പേരു കിട്ടാൻ കാരണം. കഗോമെ മെറ്റൽസിൽ ഒരു ആവർത്തന പാറ്റേൺ ആണ് കാണപ്പെടുന്നത്. ഒരു നിര ത്രികോണങ്ങളും ഷഡ്ഭുജങ്ങളുമൊക്കെ ഒരു ശൃംഖലപോലെ കോർത്തിണക്കപ്പെട്ട ഘടന. ഇവയുടെ ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഊർജവിതരണത്തെ സ്വാധീനിക്കും. മറ്റു പദാർഥങ്ങൾക്കില്ലാത്ത നിരവധി പ്രത്യേകതകൾ ഇതിനുണ്ട്‌. ഇവയുടെ ക്വാണ്ടം ജ്യാമിതി സൂക്ഷ്മമായി പഠിക്കുന്നതിലൂടെ ഈ പദാർഥങ്ങൾക്കുള്ളിൽ പ്രത്യേക സന്ദർഭങ്ങളിൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ എങ്ങനെ പ്രത്യേക രീതിയിൽ അണിനിരക്കുന്നുവെന്നും സൂപ്പർ കണ്ടക്റ്റിവിറ്റി പോലുള്ള വിചിത്രമായ പ്രതിഭാസങ്ങൾക്ക് കാരണമാവുന്നുവെന്നും മനസ്സിലാക്കാൻ സാധിക്കും.

ഇത്തരം രഹസ്യങ്ങൾ ചുരുൾനിവർത്താനായി ഗവേഷകർ ARPES പരീക്ഷണങ്ങളിൽ കഗോമെ ക്രിസ്റ്റലിൽ ഫോട്ടോൺ ബീമുകൾ പതിപ്പിച്ചു. ഈ പ്രകാശം ഇലക്ട്രോണുകളെ പുറത്തേക്കുതള്ളി. ആ സമയത്ത് ഗവേഷകർ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ആംഗിൾ, സ്പിൻ എന്നിവ അളന്നു. ഈ ഡേറ്റയിൽ നിന്നും ക്രിസ്റ്റലിനുള്ളിൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ എങ്ങനെ ചലിക്കുന്നു, ഇലക്ട്രോൺ തരംഗങ്ങൾ എന്ത് ആകൃതി കൈക്കൊള്ളുന്നു എന്നൊക്കെ മനസ്സിലാക്കി. എന്നാൽ ഒരു ഇലക്ട്രോൺ വേവ് ഫങ്ഷന്റെ ജ്യാമിതി എന്നത് ഒരു നിശ്ചിത വട്ടമോ നിയതമായ ഗോളാകൃതിയോ അല്ല. ഉയർന്ന ഡയമൻഷനുകളിൽ ഇലക്ട്രോൺ തരംഗത്തിന് അതിസങ്കീർണമായ ‘വളവുകളും തിരിവുകളുമൊക്കെ’ (Twist and loop) സംഭവിക്കും. പുതിയ ഒരു നിര പദാർഥങ്ങളിലേക്ക് ഈ പഠനം വ്യാപിപ്പിച്ച് ഇലക്ട്രോണിന്റെ ക്വാണ്ടം ജ്യാമിതി എങ്ങനെയൊക്കെ ചാലകത, കാന്തികത തുടങ്ങിയവയെ സ്വാധീനിക്കുമെന്ന് പഠിക്കാനാണ് പുതിയ ശ്രമം. മാറ്റങ്ങൾ ഇലക്ടോണുകളുടെ സ്വഭാവത്തെ എങ്ങനെ സ്വാധീനിക്കുന്നു, എന്നും പഠിക്കും.

സാധ്യതകൾ

ഇലക്ട്രോണുകളുടെ അതിസൂക്ഷ്മ ജ്യാമിതി പൂർണമായും മനസ്സിലാക്കുകയും അത് ഡിസൈൻ ചെയ്യാൻ സാധിക്കുകയും ചെയ്താൽ ഇലക്ട്രോൺ നിയന്ത്രണം ആവശ്യമുള്ള മേഖലകളിൽ വിസ്മയങ്ങൾ വിരിയും. കാര്യക്ഷമതയേറിയ ക്വാണ്ടം കംപ്യൂട്ടിങ് തന്നെ വലിയൊരു സാധ്യത. സൂപ്പർ കണ്ടക്റ്ററുകളുടെ പുതുനിര, ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതയും ഊർജക്ഷമതയുമുള്ള ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ, നൂതന ടോപ്പോളജിക്കൽ പദാർഥങ്ങൾ, ക്വാണ്ടം സെൻസറുകൾ, മെമ്മറി ഘടകങ്ങൾ എന്നിങ്ങനെ നീളുന്നു സാധ്യതകൾ.