अणु भौतिकी में नया अध्याय: स्थिर एल्युमीनियम मोनोफ्लोराइड (AlF) का सफल शीतलन और फँसाना

अणु भौतिकी के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, जहाँ फ्रिट्ज़ हैबर संस्थान (FHI) के शोधकर्ताओं ने पहली बार एक स्थिर, क्लोज्ड-शेल अणु, एल्युमीनियम मोनोफ्लोराइड (AlF) को सफलतापूर्वक मैग्नेटो-ऑप्टिकल ट्रैप (MOT) में फँसाया और ठंडा किया है। यह उपलब्धि अत्यंत ठंडे भौतिकी (ultracold physics) के क्षेत्र में एक बड़ी छलांग है, जो दशकों से मुख्य रूप से केवल परमाणुओं तक ही सीमित थी। FHI टीम AlF अणुओं को तीन अलग-अलग घूर्णी क्वांटम स्तरों में चयनात्मक रूप से फँसाने और ठंडा करने में सक्षम हुई है, जिससे क्वांटम यांत्रिकी के व्यवहार पर गहन अध्ययन का मार्ग प्रशस्त हुआ है। यह कार्य फिजिकल रिव्यू लेटर्स (Physical Review Letters) में प्रकाशन के लिए स्वीकार किया गया है।

अत्यंत निम्न तापमान, जो परम शून्य के करीब होते हैं, क्वांटम यांत्रिकीय व्यवहार को स्पष्ट रूप से देखने का अवसर प्रदान करते हैं। लेजर शीतलन तकनीकों के माध्यम से, भौतिकविदों ने पदार्थ-प्रकाश परस्पर क्रिया का उपयोग करके अति-शीतल क्षेत्र (लगभग $10^{-3}$ से $10^{-6}$ केल्विन) प्राप्त किए हैं। लगभग चालीस वर्षों से, इस तकनीक का उपयोग उदासीन परमाणुओं को MOT में तैयार करने के लिए किया जाता रहा है, जिससे ऑप्टिकल एटॉमिक क्लॉक और प्रोटोटाइप क्वांटम कंप्यूटर जैसी प्रौद्योगिकियाँ विकसित हुईं। अणुओं को फँसाना हमेशा से एक जटिल कार्य रहा है क्योंकि उनकी ऊर्जा संरचना परमाणुओं की तुलना में कहीं अधिक जटिल होती है, जिसमें घूर्णी और कंपन संबंधी स्वतंत्रता की कोटियाँ शामिल होती हैं।

पहले, केवल प्रतिक्रियाशील अणु, जिनमें अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं (स्पिन-डबलट प्रजातियाँ), इन ट्रैपों में लोड किए जा सकते थे। FHI टीम ने अब एक स्पिन-सिंगलेट अणु, AlF का पहला ट्रैप प्रदर्शित किया है, जो अपने मजबूत रासायनिक बंधन के कारण रासायनिक रूप से निष्क्रिय है। इस सफलता में देरी हुई क्योंकि AlF जैसे अणुओं को ठंडा करने के लिए उच्च ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिसके लिए पराबैंगनी (ultraviolet) क्षेत्र में गहरे लेजर तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता होती है। AlF को ठंडा करने के लिए चार लेजर प्रणालियों की आवश्यकता थी जो लगभग 227.5 nm पर संचालित थीं, जो अब तक किसी भी परमाणु या अणु को फँसाने के लिए उपयोग किया गया सबसे छोटा तरंग दैर्ध्य है। यह सफलता उद्योग-अकादमिक सहयोग से संभव हुए लेजर प्रौद्योगिकी और प्रकाशिकी में नए नवाचारों का परिणाम है।

यह उल्लेखनीय है कि AlF को कई घूर्णी क्वांटम स्तरों में लेजर-शीतल और फँसाया जा सकता है, जिसमें टीम ने लेजर तरंग दैर्ध्य को ट्यून करके तीन स्तरों के बीच सफलतापूर्वक स्विच किया। FHI टीम के प्रमुख सिड राइट ने व्यक्त किया कि उनका सपना एक कॉम्पैक्ट, सस्ते वाष्प स्रोत से AlF को फँसाना है, और प्रारंभिक प्रयोगों से पता चलता है कि AlF कमरे के तापमान वाली वैक्यूम दीवारों से टकराने पर भी बना रहता है, जो इसकी स्थिरता को दर्शाता है। यह मील का पत्थर वर्णक्रमीय अध्ययनों और डीप-यूवी प्रौद्योगिकी विकास सहित लगभग आठ वर्षों के कार्य के बाद आया है। लीड ग्रेजुएट छात्र एडुआर्डो पडिला ने इस उपलब्धि का श्रेय एक विशाल टीम प्रयास और आणविक भौतिकी विभाग के संसाधनों को दिया। लेजर-शीतल AlF से सटीक माप और अणुओं के क्वांटम नियंत्रण में नई संभावनाएँ खुलने की उम्मीद है, विशेष रूप से एक लंबे समय तक जीवित रहने वाली मेटास्टेबल इलेक्ट्रॉनिक अवस्था के कारण, जो और भी ठंडे तापमान प्राप्त करने का द्वार खोलती है।

यह उपलब्धि अति-शीतल भौतिकी को महत्वपूर्ण रूप से आगे बढ़ाती है, जिससे सटीक स्पेक्ट्रोस्कोपी और क्वांटम सिमुलेशन के लिए नए रास्ते खुलते हैं। अन्य शोधों से पता चलता है कि अति-शीतल अणुओं को रूढ़िवादी ट्रैपों में फँसाना क्वांटम-अवस्था-नियंत्रित रसायन विज्ञान और क्वांटम सूचना प्रसंस्करण जैसे अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है, जिसके लिए उच्च घनत्व की आवश्यकता होती है। AlF की रासायनिक स्थिरता और स्पिन-सिंगलेट प्रकृति इसे ऐसे प्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है, जिससे अत्यधिक नियंत्रित परिस्थितियों में क्वांटम घटनाओं और रासायनिक प्रतिक्रियाओं का पता लगाने की संभावनाएँ खुलती हैं।