परमाणु की दुनिया की खिड़की: स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप कैसे अदृश्य को दृश्यमान बनाता है?

विज्ञान के इतिहास में कुछ ऐसी खोजें होती हैं जो मानवजाति की देखने की क्षमता को मूल रूप से बदल देती हैं। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (Scanning Tunneling Microscope - STM) एक ऐसी ही क्रांतिकारी खोज है। १९८१ में आईबीएम (IBM) जूरिच में गर्ड बिन्निग (Gerd Binnig) और हेनरिक रोहरर (Heinrich Rohrer) द्वारा विकसित किए गए इस उपकरण ने वैज्ञानिकों को पहली बार परमाणु के स्तर पर पदार्थ की सतह को देखने की अनुमति दी थी। इस अभूतपूर्व उपलब्धि के लिए उन्हें १९८६ में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। विकिपीडिया की रिपोर्ट के अनुसार, STM केवल एक शक्तिशाली आवर्धक लेंस नहीं है, बल्कि यह पदार्थ की सतह पर के व्यक्तिगत परमाणुओं को छुए बिना उनकी 'तस्वीर' लेने और उन्हें स्थानांतरित करने की क्षमता रखता है।

सामान्य माइक्रोस्कोप प्रकाश की किरणों और लेंस का उपयोग करते हैं, लेकिन STM पूरी तरह से अलग सिद्धांत पर काम करता है। यह क्वांटम टनलिंग (quantum tunneling) नामक भौतिकी के एक विचित्र नियम पर आधारित है। क्लासिकल फिजिक्स के अनुसार, यदि किसी कण के पास पर्याप्त ऊर्जा न हो, तो वह अवरोध को पार नहीं कर सकता है। हालांकि, क्वांटम मैकेनिक्स की दुनिया में, इलेक्ट्रॉन जैसे कण अत्यंत पतले अवरोध से 'टनल' बनाकर गुजर सकते हैं, भले ही उनके पास इसे लांघने के लिए पर्याप्त ऊर्जा न हो। STM में, यह अवरोध यानी माइक्रोस्कोप की नुकीली टिप (tip) और पदार्थ की सतह के बीच की खाली जगह या वैक्यूम (vacuum) होता है। जब इस टिप को सतह के अत्यंत करीब लाया जाता है और उनके बीच वोल्टेज लागू किया जाता है, तब इलेक्ट्रॉन इस खाली जगह से गुजरते हैं, जिसे टनलिंग करंट कहा जाता है।

इस माइक्रोस्कोप की बनावट में सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा इसकी टिप है। यह टिप आमतौर पर टंगस्टन (tungsten) या प्लेटिनम-इरडियम (platinum-iridium) के तार से बनाई जाती है। आदर्श रूप से, इस टिप की नोक इतनी बारीक होनी चाहिए कि उसके छोर पर केवल एक ही परमाणु हो। विकिपीडिया के स्रोत के अनुसार, टंगस्टन टिप बनाने के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल एचिंग (electrochemical etching) पद्धति का उपयोग किया जाता है, जबकि प्लेटिनम-इरडियम टिप यांत्रिक रूप से काटकर बनाई जाती है। इस टिप की नोक जितनी तीक्ष्ण होगी, माइक्रोस्कोप का रिज़ॉल्यूशन (resolution) यानी स्पष्टता उतनी ही अधिक होगी। STM ०.१ नैनोमीटर (nm) से भी छोटी डिटेल्स देख सकता है और इसकी गहराई मापने की क्षमता ०.०१ नैनोमीटर जितनी सटीक होती है।

टिप को सतह पर अत्यधिक सटीकता से घुमाने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक स्कैनर (piezoelectric scanner) का उपयोग किया जाता है। पीजोइलेक्ट्रिक पदार्थ ऐसे होते हैं जिन पर विद्युत दबाव यानी वोल्टेज देने पर वे सिकुड़ते या फैलते हैं। STM में आमतौर पर लेड जिरकोनेट टाइटेनेट (lead zirconate titanate) सिरेमिक से बनी ट्यूब का उपयोग होता है। इस ट्यूब पर वोल्टेज बदलकर टिप को x, y और z इन तीनों दिशाओं में नैनोमीटर के स्तर पर खिसकाया जा सकता है। यह तकनीक इतनी संवेदनशील है कि यह प्रति वोल्ट लगभग 5 नैनोमीटर जितना हिलडुल सकती है। इसी सटीकता के कारण वैज्ञानिक सतह के ऊबड़-खाबड़पन या परमाणुओं की व्यवस्था को सटीक रूप से माप सकते हैं।

STM मुख्य रूप से दो तरीकों से काम करता है: कांस्टेंट-करंट मोड (constant-current mode) और कांस्टेंट-हाइट मोड (constant-height mode)। कांस्टेंट-करंट मोड में, टिप और सतह के बीच का विद्युत प्रवाह यानी करंट एक निश्चित स्तर पर बनाए रखा जाता है। जैसे-जैसे टिप सतह पर घूमती है, सतह के परमाणुओं के कारण ऊँचाई में बदलाव आता है। इस बदलाव के कारण करंट बदलता है, जिसे तुरंत फीडबैक इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा सुधारा जाता है और टिप को ऊपर या नीचे किया जाता है। इस तरह टिप जिस रास्ते पर चलती है, उसका नक्शा बनाकर सतह का चित्र तैयार किया जाता है। दूसरी ओर, कांस्टेंट-हाइट मोड में टिप की ऊँचाई स्थिर रखी जाती है और करंट में होने वाले बदलाव को सीधे मापा जाता है। यह मोड तेज है लेकिन यदि सतह खुरदरी हो तो टिप के सतह से टकरा जाने का जोखिम रहता है।

इस माइक्रोस्कोप के लिए सबसे बड़ी चुनौती बाहरी कंपन या वाइब्रेशन (vibration) है। परमाणु के स्तर पर काम करते समय, कमरे में चलते पंखे की कंपन या दूर से गुजरती ट्रक की आवाज भी प्रयोग में खलल डाल सकती है। इसलिए, STM को अत्यधिक जटिल वाइब्रेशन आइसोलेशन सिस्टम पर रखा जाता है। शुरुआती मॉडलों में मैग्नेटिक लेविटेशन (magnetic levitation) यानी चुंबकीय तैरते प्लेटफॉर्म का उपयोग होता था, जबकि आधुनिक प्रणालियों में मैकेनिकल स्प्रिंग या गैस स्प्रिंग का उपयोग होता है। कुछ अत्यधिक संवेदनशील माइक्रोस्कोप तो एनेकोइक चैंबर (anechoic chamber) में रखे जाते हैं, जो आवाज और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों से पूरी तरह मुक्त होते हैं।

केवल सतह के चित्र लेने के अलावा, STM का उपयोग स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपपी (Scanning Tunneling Spectroscopy - STS) के लिए भी किया जाता है। इस पद्धति में टिप को एक जगह स्थिर रखकर वोल्टेज बदला जाता है और करंट में होने वाले बदलाव को दर्ज किया जाता है। इससे पदार्थ के अंदर इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा और उनकी घनत्व (density of states) के बारे में जानकारी मिलती है। यह जानकारी नैनो-प्रौद्योगिकी और सेमीकंडक्टर अनुसंधान में अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, STM की टिप का उपयोग करके सतह पर के व्यक्तिगत परमाणुओं को एक जगह से दूसरी जगह खिसकाया जा सकता है। इस प्रक्रिया को परमाणु हेरफेर (atomic manipulation) कहा जाता है, जो भविष्य में अणु-स्तर की मशीनें बनाने का मार्ग प्रशस्त करती है।

STM के संचालन के लिए वैक्यूम यानी निर्वात और तापमान का नियंत्रण भी अनिवार्य है। अधिकांश STM अल्ट्रा-हाई वैक्यूम में काम करते हैं ताकि सतह पर हवा के परमाणु जमा न हों और सतह एकदम शुद्ध रहे। कई प्रयोग एब्सोल्यूट जीरो (absolute zero) यानी शून्य डिग्री केल्विन के करीब के तापमान पर किए जाते हैं ताकि परमाणुओं की गति कम हो और स्थिर चित्र मिल सकें। हालांकि, जरूरत के मुताबिक हवा, पानी या १००० डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर काम कर सकें ऐसे विशिष्ट STM भी बनाए गए हैं। इस उपकरण द्वारा ली जाने वाली तस्वीरें मूल रूप से ग्रेस्केल (grayscale) होती हैं, लेकिन इसे समझने के लिए बाद में कंप्यूटर द्वारा रंग जोड़े जाते हैं।

भारत जैसे देशों में जहां नैनो-प्रौद्योगिकी और मटीरियल साइंस में अनुसंधान बढ़ रहा है, वहां STM जैसे उपकरण अनिवार्य हैं। हालांकि ये उपकरण अत्यंत महंगे और रखरखाव में मुश्किल होते हैं, फिर भी विकिपीडिया नोट करता है कि कई उत्साही (hobbyists) अब घर पर भी अपने सादे STM बना रहे हैं। इस उपकरण ने हमें यह समझने की शक्ति दी है कि प्रकृति परमाणु के स्तर पर कैसे व्यवस्थित है। भविष्य में जब हम अधिक तेज़ कंप्यूटर चिप्स या नई दवाएं बनाएंगे, तब उसके पीछे STM द्वारा प्राप्त ज्ञान ही आधार में होगा। यह केवल एक माइक्रोस्कोप नहीं है, बल्कि नैनो-दुनिया में प्रवेश करने के लिए हमारा पासपोर्ट है।