मेज पर सिमटती भौतिकी: बर्कले के आठ घंटे के रिकॉर्ड ने कैसे सुलभ त्वरकों के युग को करीब ला दिया है

कण त्वरक (पार्टिकल एक्सेलरेटर) लंबे समय से विशाल राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं का विशेषाधिकार रहे हैं। इलेक्ट्रॉनों को आवश्यक गति तक ले जाने के लिए भौतिकविदों को किलोमीटर लंबी सुरंगों और छोटे देशों के सकल घरेलू उत्पाद (जीडीपी) के बराबर बजट की आवश्यकता होती है। लेकिन क्या होगा अगर पदार्थ के अनुसंधान का यह शक्तिशाली उपकरण एक सामान्य विश्वविद्यालय प्रयोगशाला में समा सके?

बर्कले लैब के बेला (BELLA) सेंटर के विशेषज्ञ इस वास्तविकता के काफी करीब पहुँच गए हैं। उन्होंने एक लेजर-प्लाज्मा त्वरक (एलपीए) का प्रदर्शन किया, जो आठ घंटे तक लगातार स्थिर बना रहा। इस तकनीक के लिए ऐसा परिणाम एक बहुत बड़ी उपलब्धि है। इससे पहले ऐसी प्रणालियाँ किसी नखरेबाज रेसिंग कार की तरह थीं: वे रिकॉर्ड प्रदर्शन तो करती थीं, लेकिन हर दस-पंद्रह मिनट में खराब हो जाती थीं या उनमें मैनुअल सेटिंग की जरूरत पड़ती थी।

इस टिकाऊपन का राज क्या है? शोधकर्ताओं ने इसमें एक 'एक्टिव फीडबैक सिस्टम' लागू किया है। कंप्यूटर एल्गोरिदम हर सेकंड लेजर बीम और प्लाज्मा के दर्जनों मापदंडों का विश्लेषण करते हैं और सूक्ष्म सुधार करते हैं। इसने एक वैज्ञानिक प्रयोग को एक विश्वसनीय उपकरण में बदल दिया है।

यह हमारे लिए क्यों महत्वपूर्ण है? फ्री इलेक्ट्रॉन लेजर (एफईएल) इसी तरह के त्वरकों पर आधारित होते हैं। ये अविश्वसनीय चमक वाली एक्स-रे किरणें पैदा करते हैं, जिससे यह देखना संभव हो जाता है कि रासायनिक प्रतिक्रियाओं के दौरान अणु कैसे चलते हैं या वायरस कोशिका में कैसे प्रवेश करते हैं।

आज इस तरह के शोध के लिए एक वैज्ञानिक को एक साल पहले आवेदन करना पड़ता है और महाद्वीप के एकमात्र सिंक्रोट्रॉन के लिए दुनिया के दूसरे छोर तक जाना पड़ता है। कल—और यह अब कोरी कल्पना नहीं है—इस तरह की जांच बड़े चिकित्सा केंद्रों या हाई-टेक चिप्स के निर्माण केंद्रों में उपलब्ध हो सकती है।

क्या हम ऐसी दुनिया के लिए तैयार हैं जहाँ बुनियादी भौतिकी 'अत्यधिक महंगी' होने के बजाय इंजीनियरों के लिए एक व्यावहारिक उपकरण बन जाएगी? संभवतः, यह बदलाव नई दवाओं और सामग्रियों के विकास की गति को हमारी वर्तमान कल्पना से कहीं अधिक बढ़ा देगा। यह उच्च विज्ञान के लोकतंत्रीकरण की ओर एक कदम है।

उच्च ऊर्जा भौतिकी अब आधिकारिक तौर पर विशाल सुरंगों के दायरे से बाहर आ गई है। बेला सेंटर (बर्कले लैब लेजर एक्सीलरेटर) के शोध दल ने दिखाया है कि एक कॉम्पैक्ट लेजर-प्लाज्मा त्वरक औद्योगिक उपकरणों जैसी विश्वसनीयता के साथ काम कर सकता है। प्रयोग के दौरान, इस सेटअप ने 8 घंटे तक स्थिर विकिरण बनाए रखा, जिसे पर्यावरण के मामूली उतार-चढ़ाव के प्रति प्लाज्मा तरंगों की अत्यधिक संवेदनशीलता के कारण पहले 'डेस्कटॉप' प्रणालियों के लिए शारीरिक रूप से असंभव माना जाता था।

पारंपरिक कण त्वरक, जैसे कि एलएचसी (LHC) या एलसीएलएस-द्वितीय (LCLS-II), की लागत अरबों डॉलर होती है और वे कई किलोमीटर के क्षेत्र में फैले होते हैं। एलपीए-एफईएल तकनीक प्लाज्मा में एक 'वेकफील्ड वेव' बनाने के लिए एक शक्तिशाली लेजर का उपयोग करती है, जिस पर इलेक्ट्रॉन 'सर्फ' करते हुए महज कुछ सेंटीमीटर की दूरी में भारी ऊर्जा प्राप्त कर लेते हैं। हालांकि, अब तक ऐसी प्रणालियाँ अस्थिर प्रोटोटाइप जैसी थीं: वे शक्तिशाली पल्स तो देती थीं, लेकिन तापीय विस्तार और ऑप्टिक्स के खराब होने के कारण जल्दी ही विफल हो जाती थीं।

यह क्यों महत्वपूर्ण है और यह 'डेस्कटॉप' एक्स-रे स्रोतों को कैसे करीब लाएगा

पारंपरिक सिंक्रोट्रॉन और एक्सएफईएल (एक्स-रे फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर) सैकड़ों मीटर या किलोमीटर लंबे विशाल ढांचे होते हैं (उदाहरण के लिए, यूरोपीय एक्सएफईएल 3.4 किमी लंबा है)। इनकी लागत करोड़ों डॉलर होती है और ये केवल बड़े राष्ट्रीय केंद्रों के लिए ही सुलभ हैं।

लेजर-प्लाज्मा त्वरक त्वरण के चरण को किलोमीटर से घटाकर मिलीमीटर-सेंटीमीटर तक ले आता है। यदि इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा को ~500 MeV (टीम का अगला लक्ष्य) तक पहुँचाया जाता है, तो विकिरण की तरंग दैर्ध्य घटकर 20-30 नैनोमीटर (हार्ड यूवी / सॉफ्ट एक्स-रे) हो जाएगी। और भविष्य में, यह हार्ड एक्स-रे तक भी पहुँच सकती है।

एक कॉम्पैक्ट एलपीए-एफईएल अल्ट्रा-शॉर्ट, उज्ज्वल और सुसंगत एक्स-रे दालों का 'डेस्कटॉप' या कमरे के आकार का स्रोत बन सकता है। यह निम्न क्षेत्रों के लिए द्वार खोल देगा:

• विश्वविद्यालयों और छोटी प्रयोगशालाओं के लिए ('आणविक फिल्मों', रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गतिशीलता के अध्ययन, जीव विज्ञान और सामग्री विज्ञान के लिए)।
• उद्योगों के लिए (सेमीकंडक्टर गुणवत्ता नियंत्रण, नैनो टेक्नोलॉजी)।
• चिकित्सा और सुरक्षा के लिए।

निश्चित रूप से, शक्तिशाली लेजर अभी भी महंगे हैं, लेकिन पूरा सेटअप वर्तमान दिग्गजों की तुलना में कई गुना छोटा और सस्ता होगा। एलपीए मौजूदा बड़े एक्सएफईएल के लिए उच्च गुणवत्ता वाले इंजेक्टर के रूप में भी काम कर सकते हैं, जिससे उनकी उत्पादकता बढ़ जाएगी।

यह एक 'प्रयोगशाला खिलौने' से वास्तविक तकनीक की ओर एक बहुत महत्वपूर्ण कदम है। टीम स्थिरता और चमक में और सुधार के लिए पहले से ही डेटा एकत्र कर रही है। यदि अगला चरण (500 MeV और सॉफ्ट एक्स-रे) भी इसी तरह सफलतापूर्वक पूरा हो जाता है, तो यह शक्तिशाली प्रकाश स्रोतों की सुलभता में एक वास्तविक क्रांति ला सकता है।