ইলেকট্রনের নড়াচড়া পর্যবেক্ষণ সম্ভব করলেন যাঁরা, তাঁদের হাতে পদার্থবিদ্যায় নোবেল

ছোট্ট একটি হামিংবার্ড পাখি সেকেন্ডে ৮০ বার ডানা ঝাপটাতে পারে। এই ঝাপটানোর গতি এত দ্রুত যে মানুষের চোখে এটা ঝাপসা একধরনের নড়াচড়া হিসাবে ধরা পড়ে। সঙ্গে শোনা যায় ‘হুশ’ ধরনের একটা আওয়াজ। অর্থাৎ মানুষের স্নায়ুর জন্য এত দ্রুত নড়াচড়া একসঙ্গে মিলে যায়, আলাদা করে চোখে ধরা পড়ে না। তাই অতি স্বল্প সময়ে ঘটা যেকোনো ঘটনা মানুষের জন্য দেখা একরকম অসম্ভব। এ ধরনের অতিদ্রুত ঘটনা বোঝা বা দেখার জন্য প্রযুক্তিগত কৌশল ব্যবহার করতে হয়।

অনেক দ্রুতগতির ফটোগ্রাফি ও প্রয়োজনীয় বিশেষ ধরনের আলো ব্যবহার করে এ ধরনের কোনো পাখি বা কিছুর উড়ে যাওয়ার ছবি তোলা সম্ভব। তাতে প্রয়োজনীয় খুঁটিনাটি বিষয়গুলোও ধরা যায়। উড়ন্ত হামিংবার্ডের ছবি তোলার জন্য যে ধরনের এক্সপোজার দরকার, তা একবার পাখা ফেলার চেয়েও দ্রুততর হতে হয়। এক্সপোজার মানে, কত দ্রুত ক্যামেরার শাটার পড়বে, কত অল্প সময়ের আলো নিয়ে একটা ছবি গঠিত হবে, তা। যত দ্রুত কোনো ঘটনা ঘটবে, তাকে ধরতে চাইলে তত দ্রুত ছবি তোলার ব্যবস্থা থাকতে হবে।

উদাহরণটা এবারের গবেষণা বোঝার জন্য আদর্শ। কারণ, অনেক অনেক দ্রুত ঘটনাগুলো বিশ্লেষণ বা পরিমাপের জন্য একই নীতি কাজ করে। এ ধরনের দ্রুতগামী কোনো সিস্টেম বা ব্যবস্থায় অনেক অল্প সময়ে যে পরিবর্তন ঘটে, তা ধরতে চাইলে প্রয়োজন এরচেয়েও দ্রুততর প্রযুক্তি। তা না হলে যে ছবি উঠবে, তা হয়ে যাবে ব্লার বা ঝাপসা। এই বছরের পদার্থবিজ্ঞানীরা সেই প্রযুক্তি নিয়েই কাজ করেছেন। তাঁরা অ্যাটোসেকেন্ড (১০^-১৮ সেকেন্ড) সময়ের মধ্যেই আলোর স্পন্দন তৈরির প্রক্রিয়া উদ্ভাবন করেছেন ও প্রয়োগ করে দেখিয়েছেন। এই পদ্ধতি এত দ্রুত যে অণু-পরমাণুর ভেতরের প্রক্রিয়াগুলোর ছবিও তোলা যায় এভাবে।

পরমাণুর মধ্যকার প্রক্রিয়াগুলো অনেক অনেক দ্রুত ঘটে। একটা অণুর মধ্যে কোনো পরমাণু নড়তে বা ঘুরতে সময় নেয় এক সেকেন্ডের এক বিলিয়ন ভাগের এক মিলিয়ন ভাগের এক ভাগ। বৈজ্ঞানিক ভাষায় এত ছোট্ট সময়কে বলা হয় ফেমটোসেকেন্ড (১০^-১৫ সেকেন্ড)। এই নড়াচড়া নিয়ে গবেষণা করার জন্য প্রয়োজন আরও স্বল্প সময়ের মধ্যে সৃষ্ট পালস বা আলোক স্পন্দন। এটা লেজারের মাধ্যমে করা যায়। কিন্তু ঘটনা হলো, পুরো একটা পরমাণুর গতি নিয়ে আলোচনা করার মানে তার ভারী ও বিশাল নিউক্লিয়াসের গতি নিয়ে কথা বলা। আমরা জানি, ভারী জিনিস ধীরে নড়াচড়া করে। সে হিসাবে ইলেকট্রন অনেক হালকা ও ক্ষুদ্র। তাই ইলেকট্রনের নড়াচড়াকে নিউক্লিয়াসের সঙ্গে তুলনা করে, সে হিসাবে ছবি তুলতে গেলে দেখা যাবে ঝাপসা নড়াচড়া। অর্থাৎ ছবি তুলতে ফেমটোসেকেন্ড সময় নিয়ে নিলে ইলেকট্রনের নড়াচড়া ঝাপসা দেখায়। তাই ইলেকট্রন, এর প্রতিকণা পজিট্রন ও শক্তির পরিবর্তন মাপতে চাইলে আমাদের অ্যাটোসেকেন্ড সময়ে ছবি তুলতে পারে, এমন প্রযুক্তি লাগবে। কারণ, এগুলোর পরিবর্তন ঘটতে এক থেকে কয়েক শ অ্যাটোসেকেন্ডের মতো সময় লাগে। আর অ্যাটোসেকেন্ড মানে তো আগেই বলেছি, ১০^-১৮ সেকেন্ড। অর্থাৎ এক সেকেন্ডের এক বিলিয়ন ভাগের এক ভাগকে আরও এক বিলিয়ন ভাগ করলে যে অতি অতিক্ষুদ্র সময় পাওয়া যাবে, তা। বিষয়টা আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য ভাবতে পারেন, মহাবিশ্বের বয়স ১৩ দশমিক ৮ বিলিয়ন বছর। সে তুলনায় ১ সেকেন্ড যত ক্ষুদ্র, ১ অ্যাটোসেকেন্ডও এক সেকেন্ডের তুলনায় তত ক্ষুদ্র।

আগে বিজ্ঞানীরা ভাবতেন, ফেমটোসেকেন্ডের চেয়ে ক্ষুদ্র সময়ে আলো তৈরি করা যায় না। কাজেই প্রযুক্তি উন্নত হলেও ইলেকট্রনের ক্ষুদ্র সময়কালে ঘটা কোনো ঘটনা আসলে দেখা বা মাপা সম্ভব নয়। সে জন্য প্রয়োজন একদম নতুন ধরনের কোনো প্রযুক্তি। এই বছরের নোবেলজয়ী পদার্থবিজ্ঞানীরা ঠিক তাই করেছেন। তাঁদের হাত ধরে খুলে গেছে অ্যাটোসেকেন্ড পদার্থবিজ্ঞানের দুয়ার।

২

বিষয়টা কীভাবে হয়েছে, তা বোঝার জন্য আলোর চরিত্র নিয়ে একটু আলোচনা করা প্রয়োজন। আলো মূলত একধরনের তরঙ্গ। তড়িৎচৌম্বকীয় ক্ষেত্রের ভেতরে ঘটা কম্পন। এই তরঙ্গ ভ্যাকুয়ামের মধ্য দিয়ে যেকোনো কিছুর চেয়ে দ্রুত ছুটতে পারে। আমরা জানি, মহাবিশ্বে আলোর চেয়ে দ্রুত আর কিছুই ছুটতে পারে না। আলোর বেগই মহাবিশ্বের সর্বোচ্চ বেগ।

তবে নানা ধরনের তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো আছে। এগুলোকে ভিন্ন ভিন্ন রঙের সঙ্গে তুলনা করা যায়। কারণ, তরঙ্গদৈর্ঘ্য বদলালে আসলেই আলোর রং বদলে যায়। লাল আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য যেমন প্রায় ৭০০ ন্যানোমিটার—একটা চুলের প্রস্থের একশ ভাগের এক ভাগ। প্রতিসেকেন্ডে এই তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলোর কম্পাঙ্ক ৪৩০ বিলিয়ন বার। বিষয়টা আরেকটু ব্যাখ্যা করলে তরঙ্গের ভেতরে ঢুকতে হবে। তরঙ্গের একটা চূড়া থাকে, একটা খাদ থাকে। পানিতে যে ঢেউ ওঠে, এই ঢেউ আসলে তরঙ্গের একটা উদাহরণ। তো, এরকম কয়বার চূড়া থেকে শুরু করে, খাদ পেরিয়ে আবার চূড়ায় ফিরে যেতে পারে এক সেকেন্ডে, পদার্থবিজ্ঞানের ভাষায় বলা হয়—এক সেকেন্ডে কত বার পূর্ণ স্পন্দন বা কম্পন সম্পন্ন করতে পারে, তা-ই কম্পাঙ্ক।

সাধারণ লেজার ব্যবস্থায় যে আলো তৈরি হয়, তার কম্পাঙ্ক ফেমটোসেকেন্ডের চেয়ে কোনোভাবেই কমানো যায় না। তাই ১৯৮০-এর দশকে বিজ্ঞানীরা ভেবেছিলেন, এর চেয়ে অল্প সময়ের কম্পাঙ্কের আলো তৈরি করা সম্ভব নয়।

তবে গণিত বলে, যেকোনো তরঙ্গদৈর্ঘ্য বা কম্পাঙ্কের তরঙ্গই উৎপাদন সম্ভব। সে জন্য সঠিক আকারের তরঙ্গদৈর্ঘ্য ও বিস্তারবিশিষ্ট তরঙ্গ ব্যবহার করতে হবে। অ্যাটোসেকেন্ডে স্পন্দন তৈরির কৌশলটা হলো, আরও ক্ষুদ্র স্পন্দন তৈরি করতে বেশি করে ক্ষুদ্র তরঙ্গদৈর্ঘ্যের তরঙ্গ তৈরি করা। পারমাণবিক পর্যায়ে ইলেকট্রনের নড়াচড়া পর্যবেক্ষণের জন্য অনেক স্বল্প সময়ের মধ্যে পালস বা স্পন্দন তৈরি করতে হবে। সে জন্য ভিন্ন ভিন্ন তরঙ্গদৈর্ঘ্যের অতিক্ষুদ্র তরঙ্গকে একসঙ্গে সমন্বয় করতে হবে।

আলোতে নতুন ও ক্ষুদ্র এসব তরঙ্গদৈর্ঘ্য যুক্ত করার জন্য শুধু লেজার দিয়েই হয় না। লেজার লাইট যখন একটা গ্যাসের মধ্য দিয়ে যায়, তখন এটা সম্ভব করার মতো একটা ঘটনা দেখা যায়। আলো সেই গ্যাসের পরমাণুর সঙ্গে মিথস্ক্রিয়া করে ‘ওভারটোন’ নামে একধরনের ঘটনার জন্ম দেয়। ওভারটোন মানে এমন তরঙ্গ, যার কম্পাঙ্ক মূল কম্পাঙ্কের চেয়ে বেশি। বিষয়টা একদম সহজ করে বোঝার জন্য নোবেল প্রাইজ ডট অর্গ একটা উদাহরণ দিয়েছে। তারা বলেছে, এই ওভারটোন কোনো শব্দকে নির্দিষ্ট বৈশিষ্ট্য দেয়। ফলে একই নোটের গিটার ও পিয়ানোর শব্দের মধ্যে পার্থক্য করতে পারি আমরা।

১৯৮৭ সালে অ্যান লিয়ার ও তাঁর সহকর্মীরা একটি ফরাসি গবেষণাগারে একটি নিষ্ক্রিয় গ্যাসের মধ্য দিয়ে অবলোহিত লেজার রশ্মি চালনা করে আলোর এই ওভারটোন হাতে-কলমে করে দেখান। আগের পরীক্ষণগুলোয় ব্যবহৃত ক্ষুদ্র তরঙ্গদৈর্ঘ্যের লেজারের তুলনায় এই অবলোহিত লেজার আরও বেশি করে শক্তিশালী ওভারটোন সৃষ্টি করে।

এরকম ওভারটোন তৈরি হয়ে যাওয়ার পর তারা একে অন্যের সঙ্গে মিথস্ক্রিয়া করে। আলো বা যেকোনো একইরকম তরঙ্গ (বিজ্ঞানীরা বলেন, সুসঙ্গত উৎস থেকে সৃষ্ট তরঙ্গ) একে অন্যের সঙ্গে মিথস্ক্রিয়া করলে একটা ঘটনা ঘটে। এই ঘটনাকে বলে ব্যতিচার। যদি একটি আলোকতরঙ্গের চূড়ার সঙ্গে আরেকটি আলোকতরঙ্গের চূড়ার মিথস্ক্রিয়া ঘটে, দুটো যদি উপরিপাতিত হয়—অর্থাৎ একে অন্যের ওপরে গিয়ে পড়ে, তখন দুটো যোগ হয়ে যায়। ফলে আলো আরও তীব্র হয়ে ওঠে। এটাকে বলে গঠনমূলক ব্যতিচার। আর একটি তরঙ্গের চূড়া অন্যটির খাদের ওপর গিয়ে পড়লে চূড়া ও খাদ যেহেতু বিপরীত, একে অন্যকে নাকচ করে দেয়। ফলে ধ্বংসাত্মক ব্যতিচার ঘটে। আলো ম্লান হয়ে যায়, এর তীব্রতা কমে যায়। একই ঘটনা ওভারটোনের জন্যও ঘটে। তবে সঠিকভাবে ওভারটোন উপরিপাতিত হলে, একটি আরেকটির ওপরে পড়লে ধারাবাহিক একদল অতিবেগুনি আলোকরশ্মি দেখা যায়। এ ক্ষেত্রে সৃষ্ট প্রতিটি পালস বা স্পন্দন হয় কয়েক শ অ্যাটোসেকেন্ড সমান দীর্ঘ। পদার্থবিজ্ঞানীরা এই বিষয়টা ৯০-এর দশকেই তাত্ত্বিকভাবে জানতেন। তবে এগুলো শনাক্ত করা ও পরীক্ষা করার সুযোগ আসে ২০০১ সালে।

পিয়ের আগোস্তিনি ও তাঁর গবেষণা দল ফ্রান্সে সফলভাবে এরকম ধারাবাহিক আলোক স্পন্দন তৈরিতে সফল হন। বিষয়টাকে ধরতে পারেন, অনেকগুলো বগিযুক্ত একটা ট্রেনের মতো—একটার পর আরেকটা বসে আছে, এমন। তাঁরা তখন বিশেষ একধরনের কৌশল খাটিয়ে এই আলোকট্রেনটাকে (অর্থাৎ ওভারটোনগুলোকে) মূল তরঙ্গটির সঙ্গে জুড়ে দিলেন। এভাবে তাঁরা দেখলেন, প্রতিটি স্পন্দন ২৫০ অ্যাটোসেকেন্ড দীর্ঘ।

ওদিকে অস্ট্রিয়ায় ফেরেন্স ক্রাউজ তাঁর দল নিয়ে কাজ করছিলেন যেন এরকম প্রতিটি স্পন্দনকে আলাদাভাবে ধরা যায়। ট্রেনের যেকোনো বগিকে আলাদা করে ভিন্ন লাইনে নিয়ে যাওয়ার মতো বিষয়টা। এভাবে তাঁরা যে স্পন্দনটিকে আলাদা করলেন, সেটা ৬৫০ অ্যাটোসেকেন্ড স্থায়ী হলো। বিশেষ এক প্রক্রিয়ায় তাঁরা পরমাণু থেকে ইলেকট্রন আলাদা করলেন এবং এই আলো (আলোক স্পন্দন) ব্যবহার করে ইলেকট্রনকে ট্র্যাক করলেন।

এভাবে জানা গেল, অ্যাটোসেকেন্ডের আলোক স্পন্দন পর্যবেক্ষণ বা পরিমাপ করা সম্ভব। এর ফলে পরমাণু থেকে ইলেকট্রনকে বিচ্ছিন্ন করে নেওয়া বা ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের টানে নির্দিষ্ট কক্ষপথে ঠিকভাবে বসতে কী পরিমাণ সময় নেয়—এ ধরনের ঘটনাগুলো পর্যবেক্ষণ সম্ভব হয়ে গেল। ফলে অণু-পরমাণুর ভেতরের পদার্থবিজ্ঞানবিষয়ক গবেষণার দুয়ার যেমন খুলে গেল, তেমনি দেখা গেল আরও নানা ক্ষেত্রে এগুলো কাজে লাগছে। বর্তমানে ইলেকট্রনিকস, চিকিৎসাবিজ্ঞানে ব্যবহৃত বিভিন্ন যন্ত্রসহ আরও অনেক ক্ষেত্রেই এই বিষয়টি ব্যবহৃত হচ্ছে।

পরমাণুর ভেতরে ইলেকট্রনকে দেখা যাঁদের হাত ধরে সম্ভব হলো, তাঁদের হাতেই এবারে উঠেছে পদার্থবিজ্ঞানের নোবেল।

সূত্র: নোবেল প্রাইজ ডট অর্গ, উইকিপিডিয়া