स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप: क्वांटम भौतिकी की मदद से परमाणुओं को देखने और छूने की अद्भुत तकनीक

मानव इतिहास में सदियों तक पदार्थ के मूलभूत कणों यानी परमाणुओं को केवल गणनाओं और सिद्धांतों में ही कल्पित किया जा सकता था। लेकिन 1981 में यह परिदृश्य पूरी तरह से बदल गया जब IBM Zürich में काम करने वाले दो वैज्ञानिकों गेर्ड बिनिग (Gerd Binnig) और हेनरिक रोहरर (Heinrich Rohrer) द्वारा स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (Scanning Tunneling Microscope - STM) की खोज की गई। सामान्य ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप प्रकाश की तरंगदैर्ध्य की सीमा के कारण नैनोमीटर स्तर की वस्तुओं को नहीं देख सकते, जबकि STM ने परमाणु के स्तर पर सतह का त्रिविमीय चित्र देने की क्षमता साबित की। इस युगांतरकारी खोज के लिए इन दोनों शोधकर्ताओं को 1986 में भौतिकी के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

इस माइक्रोस्कोप की शक्ति इतनी असाधारण है कि यह 0.1 नैनोमीटर (nm) से भी छोटी बारीकियों को अलग पहचान सकती है और इसकी गहराई मापने की क्षमता 0.01 नैनोमीटर यानी 10 पिकोमीटर (pm) जितनी अतिसूक्ष्म होती है। इस अतुल्य विभेदन शक्ति (resolution) के कारण वैज्ञानिक सतह पर व्यवस्थित व्यक्तिगत परमाणुओं को स्पष्ट देख सकते हैं, इतना ही नहीं बल्कि उन्हें अपनी मर्जी के अनुसार खिसकाकर नई संरचनाएं भी बना सकते हैं। अधिकांश STM उपकरण परम शून्य तापमान (absolute zero) के करीब अत्यंत कम तापमान पर और अल्ट्रा-हाई वैक्यूम में चलाए जाते हैं, हालांकि कुछ विशेष संस्करण सामान्य हवा, पानी या 1000 °C से अधिक तापमान में भी काम कर सकते हैं।

क्वांटम टनलिंग का चमत्कार

स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप की पूरी कार्यप्रणाली क्वांटम मैकेनिक्स के अत्यंत रोचक सिद्धांत क्वांटम टनलिंग (quantum tunneling) पर आधारित है। क्लासिकल यानी प्रचलित भौतिकी के अनुसार, यदि किसी कण के पास पर्याप्त गतिज ऊर्जा न हो तो वह ऊर्जा के अवरोध को पार नहीं कर सकता, जैसे कि पहाड़ी चढ़ने जितनी ऊर्जा न हो तो गेंद पहाड़ी की दूसरी तरफ नहीं जा सकती। लेकिन क्वांटम भौतिकी में इलेक्ट्रॉन केवल कण नहीं बल्कि एक तरंग भी है, जिसे श्रोडिंजर समीकरण (Schrödinger equation) द्वारा दर्शाए जाने वाले तरंग फलन (wave function) से समझा जा सकता है।

जब किसी चालक पदार्थ की अत्यंत तीक्ष्ण सुई (tip) को नमूने की सतह के बहुत करीब लाया जाता है और दोनों के बीच थोड़ा विद्युत वोल्टेज (bias voltage) लागू किया जाता है, तब इलेक्ट्रॉन बीच में मौजूद निर्वात के अवरोध में से अदृश्य सुरंग बनाकर दूसरी तरफ कूद पड़ते हैं। इस प्रक्रिया से जो अतिसूक्ष्म विद्युत प्रवाह बहता है उसे टनलिंग करंट (tunneling current) कहते हैं, जो सब-नैनोएम्पियर के पैमाने पर होता है। यह टनलिंग करंट सुई और सतह के बीच की दूरी पर घातांकीय (exponential) रूप से निर्भर करता है; यदि दूरी में परमाणु के व्यास जितना भी परिवर्तन हो, तो विद्युत प्रवाह में बड़ा उछाल या गिरावट दर्ज होती है।

स्कैनिंग मैकेनिज्म और पिजोइलेक्ट्रिक सिस्टम

इस उपकरण में सतह के ऊपर सुई को घुमाने का काम अत्यंत नाजुक और सटीकतापूर्ण होता है। सुई और नमूने के बीच की दूरी आमतौर पर 4 से 7 एंगस्ट्रॉम (Å) यानी 0.4 से 0.7 नैनोमीटर जितनी बनाए रखी जाती है। यह दूरी वह होती है जहाँ दोनों के बीच आकर्षण बल प्रभावी होता है (3 से 10 Å के बीच), लेकिन यदि दूरी 3 Å से कम हो जाए तो प्रतिकर्षण बल लगने लगता है और सुई के सतह से टकराकर टूट जाने का जोखिम पैदा हो जाता है।

इतनी नाजुक दूरी पर सुई को सटीकता से नियंत्रित करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक स्कैनर ट्यूब (piezoelectric scanner tube) का उपयोग किया जाता है। पीजोइलेक्ट्रिक पदार्थ ऐसे विशेष पदार्थ होते हैं जिन पर वोल्टेज देने से उनके आकार या लंबाई में नैनोमीटर स्तर पर संकुचन या विस्तार होता है। STM में आमतौर पर लेड जिरकोनेट टाइटेनेट सिरेमिक से बनी नली का उपयोग किया जाता है, जिसका पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक लगभग 5 नैनोमीटर प्रति वोल्ट होता है। इस नली की बाहरी सतह पर चार धातु के इलेक्ट्रोड लगे होते हैं जो सुई को x और y दिशा में आगे-पीछे चलाते हैं, जबकि आंतरिक भाग उसे ऊंचाई यानी z दिशा में नियंत्रित करता है।

इमेजिंग पद्धतियां: करंट और हाइट मोड

STM द्वारा जब सतह की स्कैनिंग की जाती है तब डिजिटल छवि मुख्य रूप से दो पद्धतियों द्वारा तैयार की जाती है: कांस्टेंट-करंट मोड (constant-current mode) और कांस्टेंट-हाइट मोड (constant-height mode)। कांस्टेंट-करंट मोड में, फीडबैक इलेक्ट्रॉनिक्स लगातार टनलिंग करंट को एक निश्चित मूल्य पर बनाए रखने के लिए z-दिशा के पीजोइलेक्ट्रिक वोल्टेज को बदलती रहती है। यदि सतह पर कोई परमाणु ऊंचा आता है तो करंट बढ़ने लगता है, जिससे फीडबैक लूप सुई को थोड़ा ऊपर ले जाता है। यह मोड थोड़ा धीमा है क्योंकि प्रत्येक बिंदु पर फीडबैक व्यवस्थित करना पड़ता है, लेकिन यह असमान सतहों के लिए अत्यंत सुरक्षित है और इसमें सतह की टोपोग्राफी के साथ-साथ इलेक्ट्रॉन घनत्व दोनों की जानकारी मिलती है।

दूसरी ओर, कांस्टेंट-हाइट मोड में सुई की z ऊंचाई स्थिर रखी जाती है और सतह पर तेजी से आड़ा-तिरछा घुमाया जाता है। सतह के उतार-चढ़ाव के अनुसार टनलिंग करंट में जो तीव्र परिवर्तन होते हैं, उन्हें सीधे मापकर नक्शा तैयार किया जाता है। यह मोड काफी तेज है लेकिन यदि सतह पर अचानक कोई बड़ा अणु या ऊंचा टीला आ जाए तो सुई के टकरा जाने का बड़ा जोखिम रहता है। पूरी स्कैनिंग प्रक्रिया 128×128 से लेकर 1024×1024 या उससे अधिक बिंदुओं के ग्रिड में होती है, जिससे उत्पन्न होने वाली मूल छवि ब्लैक एंड व्हाइट (ग्रेस्केल) होती है और इसमें रंग केवल विश्लेषण के लिए बाद में जोड़े जाते हैं।

इस पद्धति की मदद से प्राप्त सतह की वास्तविक तस्वीरें परमाणुओं की नियमित कतारें दर्शाती हैं। क्रिस्टलीय धातुओं जैसे सोने की सतह पर परमाणुओं की व्यवस्था का अद्भुत दृश्य इसी तकनीक द्वारा पहली बार संभव हुआ था।

स्पेक्ट्रोस्कोपी और परमाणुओं की हेरफेर

केवल सतह का आकार देखना ही STM की एकमात्र खूबी नहीं है। स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी (Scanning Tunneling Spectroscopy - STS) नामक उन्नत पद्धति में सुई को किसी एक विशिष्ट परमाणु या अशुद्धि के ठीक ऊपर स्थिर रखकर वोल्टेज में परिवर्तन किया जाता है और करंट का मापन होता है। इस प्रक्रिया द्वारा लोकल डेंसिटी ऑफ स्टेट्स (LDOS) यानी नमूने में विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर इलेक्ट्रॉनों की उपलब्धता के बारे में जाना जा सकता है, जो क्वांटम स्तर पर सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को समझने में क्रांतिकारी साबित हुई है।

इसके अलावा, STM की सुई का उपयोग एक छोटे चिमटे (tweezer) की तरह करके सतह पर मौजूद एकल-दुक्कल परमाणुओं या अणुओं को खिसकाया जा सकता है। जब सुई को परमाणु के अत्यंत निकट लाकर उच्च वोल्टेज दिया जाता है, तब वह परमाणु को अपनी ओर आकर्षित करके इच्छित स्थान पर रख सकती है। वैज्ञानिकों ने कार्बन मोनोऑक्साइड जैसे अणुओं को सतह पर व्यवस्थित करके विभिन्न लोगो और अक्षर तैयार किए हैं और नैनो-टेक्नोलॉजी की असीम क्षमताओं को सिद्ध करके दिखाया है।

सतह पर विभिन्न धातुओं के परमाणु कैसे एकत्रित होते हैं और संरचनाएं बनाते हैं, यह समझने में भी STM अत्यंत उपयोगी सिद्ध हुआ है। उदाहरण के लिए, सतह पर चांदी के परमाणुओं के छोटे द्वीपों (nanoscale islands) का निर्माण इस उपकरण द्वारा स्पष्ट देखा जा सकता है।

यांत्रिक चुनौतियां और विशिष्ट अनुसंधान

स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी को सफलतापूर्वक चलाना इंजीनियरिंग के क्षेत्र में एक बड़ी चुनौती है, क्योंकि इमारत में चलते पंखे या बाहर सड़क से गुजरती गाड़ियों की कंपन भी सुई को सतह से टकरा सकती है। इसलिए उत्तम वाइब्रेशन आइसोलेशन (कंपन नियंत्रण) अनिवार्य है। बिनिग और रोहरर ने अपने पहले उपकरण में मैग्नेटिक लेविटेशन (चुंबकीय उत्तोलन) का उपयोग किया था, जबकि आज के आधुनिक उपकरणों में यांत्रिक स्प्रिंग, गैस स्प्रिंग और एड़ी-करंट डैम्पिंग का उपयोग किया जाता है।

अतिसंवेदनशील प्रयोगों के लिए इन माइक्रोस्कोपों को ध्वनि और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों से मुक्त ऐसे विशेष कंक्रीट के एनिकोइक चैंबर (anechoic chambers) में रखा जाता है। सुई बनाने के लिए टंगस्टन (tungsten) या प्लैटिनम-इरिडियम (platinum-iridium) के तार का उपयोग किया जाता है, जिसे इलेक्ट्रोकेमिकल नक्काशी (etching) द्वारा सिरे से इतना तीक्ष्ण बनाया जाता है कि उसके सिरे पर केवल एक ही परमाणु रहे। आज के उन्नत हाई-स्पीड वीडियो-रेट STM उपकरण 80 Hz के फ्रेम रेट पर सतह पर चलने वाली रासायनिक प्रक्रियाओं और परमाणु प्रसार का जीवंत रिकॉर्डिंग करने में सक्षम हो गए हैं।