मेज पर फिट होने वाला कण त्वरक! नैनोट्यूब-लेज़र तकनीक से एक्स-रे दुनिया में क्रांति की शुरुआत

मेरे सहयोगियों और मैंने एक नए शोध परियोजना में पाया है कि तीव्र एक्स-रे उत्पन्न करने वाले एक कण त्वरक को एक ऐसे उपकरण में डाला जा सकता है जो एक मेज पर फिट हो जाए। वर्तमान में तीव्र एक्स-रे का उत्पादन सिंक्रोट्रॉन प्रकाश स्रोत नामक एक सुविधा के माध्यम से होता है। इनका उपयोग पदार्थों, दवा के अणुओं और जैविक ऊतकों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। हालाँकि, सबसे छोटे मौजूदा सिंक्रोट्रॉन भी लगभग एक फुटबॉल स्टेडियम के आकार के होते हैं। हमारा शोध, जिसे फिजिकल रिव्यू लेटर्स पत्रिका में प्रकाशन के लिए स्वीकार किया गया है, दर्शाता है कि कैसे कार्बन नैनोट्यूब और लेज़र प्रकाश नामक सूक्ष्म संरचनाएँ एक माइक्रोचिप पर चमकदार एक्स-रे उत्पन्न कर सकती हैं। हालाँकि यह उपकरण अभी भी अवधारणा के चरण में है, लेकिन इसके विकास में चिकित्सा, पदार्थ विज्ञान और अन्य विषयों को बदलने की क्षमता है।

अधिकांश लोग कण त्वरक की कल्पना विशाल मशीनों, धातु और चुम्बकों के बहुत बड़े छल्लों के रूप में करते हैं जो ज़मीन के नीचे किलोमीटर तक फैले होते हैं। उदाहरण के लिए, जिनेवा स्थित सर्न (यूरोपीय परमाणु अनुसंधान संगठन) का लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर 17 मील (27 किमी) लंबा है। नए शोध से पता चलता है कि जल्द ही कुछ माइक्रोमीटर चौड़े अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट त्वरक बनाना संभव हो सकता है – जो मानव बाल की चौड़ाई से भी छोटे होंगे। ये अरबों पाउंड के सिंक्रोट्रॉन संयंत्रों द्वारा उत्पादित समान सुसंगत, उच्च-ऊर्जा एक्स-रे उत्पन्न कर सकते हैं, लेकिन एक माइक्रोचिप पर फिट होने वाले उपकरणों का उपयोग करके।

मुड़ा हुआ प्रकाश
यह सिद्धांत प्रकाश के एक विशेष गुण पर आधारित है जिसे सतही प्लाज़्मोन पोलरिटॉन कहा जाता है। ये तरंगें तब बनती हैं जब लेज़र प्रकाश किसी पदार्थ की सतह से चिपक जाता है। सिमुलेशन में, एक गोलाकार ध्रुवीकृत लेज़र पल्स को एक छोटी खोखली नली के माध्यम से भेजा गया था। यह ध्रुवीकृत लेज़र पल्स वह प्रकाश है जो चलते समय मुड़ता है, बिल्कुल कॉर्कस्क्रू की तरह। घूमता हुआ क्षेत्र नली के अंदर इलेक्ट्रॉन कणों को फँसाता है और उन्हें त्वरित करता है, जिससे वे सर्पिल गति में आ जाते हैं। जैसे-जैसे वे समकालिक गति करते हैं, इलेक्ट्रॉन सुसंगत रूप से विकिरण उत्सर्जित करते हैं, जिससे प्रकाश की तीव्रता दो क्रम परिमाण तक बढ़ जाती है। मैंने और मेरी टीम ने एक सूक्ष्म सिंक्रोट्रॉन बनाया है, जहाँ वही भौतिक सिद्धांत काम करते हैं जो मील-स्तरीय सुविधाओं को संचालित करते हैं – लेकिन एक नैनोस्कोपिक स्तर पर।

इस अवधारणा को कारगर बनाने के लिए, कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग किया गया। ये बेलनाकार संरचनाएँ हैं जो कार्बन परमाणुओं से बनी होती हैं और षट्कोणीय पैटर्न में व्यवस्थित होती हैं। ये नैनोट्यूब बहुत उच्च विद्युत क्षेत्रों का सामना कर सकते हैं, जो पारंपरिक त्वरक की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक शक्तिशाली होते हैं। इन्हें लंबवत रूप से “विकसित” भी किया जा सकता है जिसे हम निकट संरेखित खोखली नलियों का “वन” कहते हैं। यह अनूठी संरचना कॉर्कस्क्रूइंग लेज़र प्रकाश को इलेक्ट्रॉनों के साथ युग्मित करने के लिए एक आदर्श वातावरण प्रदान करती है। वृत्ताकार ध्रुवीकृत लेज़र नैनोट्यूब की आंतरिक संरचना में फिट बैठता है – बिल्कुल ताले में चाबी की तरह, यही कारण है कि हम इसे क्वांटम लॉक-एंड-की तंत्र कहते हैं।

मैं जिस शोध दल का हिस्सा हूँ, उसका नेतृत्व भौतिक विज्ञान संकाय में शोध सहयोगी बिफेंग लेई ने किया था। 3D सिमुलेशन से पता चला है कि यह अंतःक्रिया प्रति मीटर कई टेरावोल्ट (एक ट्रिलियन वोल्ट) का विद्युत क्षेत्र उत्पन्न कर सकती है। यह वर्तमान त्वरक तकनीकों की क्षमता से कहीं अधिक है। इस तरह का प्रदर्शन अत्याधुनिक एक्स-रे स्रोतों तक पहुँच पाने वालों को बदल सकता है। वर्तमान में, वैज्ञानिकों को बड़े, राष्ट्रीय सिंक्रोट्रॉन संयंत्रों या मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेज़रों में सीमित समय के लिए आवेदन करना पड़ता है, और अक्सर कुछ घंटों के बीम समय के लिए महीनों तक प्रतीक्षा करनी पड़ती है।

पहुँच का मार्ग प्रशस्त करना
टेबलटॉप त्वरक दृष्टिकोण इस क्षमता को अस्पतालों, विश्वविद्यालयों और औद्योगिक प्रयोगशालाओं में उपलब्ध करा सकता है। वास्तव में, जहाँ भी इसकी आवश्यकता हो। चिकित्सा क्षेत्र में, इसका अर्थ स्पष्ट मैमोग्राम और नई इमेजिंग तकनीकें हो सकती हैं जो बिना कंट्रास्ट एजेंटों के, कोमल ऊतकों को अभूतपूर्व विस्तार से प्रकट करती हैं। दवा विकास में, शोधकर्ता प्रोटीन संरचनाओं का आंतरिक विश्लेषण कर सकते हैं, जिससे नई चिकित्सा पद्धतियों के डिज़ाइन में नाटकीय रूप से तेज़ी आ सकती है। और पदार्थ विज्ञान एवं अर्धचालक अभियांत्रिकी में, यह नाजुक घटकों के अविनाशी, उच्च-गति परीक्षण को संभव बना सकता है। यह अध्ययन त्वरक भौतिकी में नैनो प्रौद्योगिकी विषय पर 2025 नैनोएसी कार्यशाला में प्रस्तुत किया गया था, जो इस महीने की शुरुआत में लिवरपूल में आयोजित की गई थी। यह शोध अभी सिमुलेशन चरण में है।

लेकिन आवश्यक घटक पहले से ही मौजूद हैं: शक्तिशाली वृत्ताकार ध्रुवीकृत लेज़र और सटीक रूप से निर्मित नैनोट्यूब संरचनाएँ उन्नत अनुसंधान प्रयोगशालाओं में मानक उपकरण हैं। अगला चरण प्रायोगिक सत्यापन है। यदि यह सफल रहा, तो यह अति-सघन विकिरण स्रोतों की एक नई पीढ़ी की शुरुआत होगी। इस तकनीक के बारे में मुझे सबसे ज़्यादा उत्साहित करने वाली बात सिर्फ़ भौतिकी नहीं, बल्कि यह है कि यह क्या दर्शाता है। बड़े पैमाने के त्वरक ने वैज्ञानिक प्रगति को गति दी है, लेकिन वे अभी भी अधिकांश संस्थानों की पहुँच से बाहर हैं। एक लघु त्वरक जो तुलनीय प्रदर्शन प्रदान करता है, विश्व स्तरीय अनुसंधान उपकरणों तक पहुँच को लोकतांत्रिक बना सकता है, जिससे अग्रणी विज्ञान और भी अधिक शोधकर्ताओं के हाथों में आ सकता है। कण त्वरण के भविष्य में ऊर्जा, तीव्रता और खोज की सीमाओं को और आगे बढ़ाने वाली बहुत बड़ी मशीनें, साथ ही छोटे, स्मार्ट और अधिक सुलभ त्वरक शामिल हो सकते हैं। यह लेख क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत द कन्वर्सेशन से पुनर्प्रकाशित है।

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