संदर्भ-

शोधकर्ता एक सदी से भी अधिक पुरानी घटना पर फिर से ध्यान दे रहे हैं, जिससे फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के अध्ययन में नई ऊर्जा मिली है। इस नए ध्यान केंद्रित दृष्टिकोण ने प्रोटीन और वायरस की इमेजिंग, जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गहरी समझ, और अगली पीढ़ी की इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सामग्रियों के विकास में महत्वपूर्ण सफलताओं का मार्ग प्रशस्त किया है।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का ऐतिहासिक महत्व

• 20वीं सदी की शुरुआत में, भौतिकविदों ने देखा कि जब किसी धातु को प्रकाश से विकिरणित किया जाता है, तो वह इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करती है।
• अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1905 में इस घटना को यह प्रस्तावित करके समझाया कि प्रकाश में फोटॉन नामक कण होते हैं।
• उन्होंने दिखाया कि यदि किसी फोटॉन में एक निश्चित सीमा से अधिक ऊर्जा होती है, तो इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होता है, जो प्रकाश की तीव्रता के बजाय उसकी आवृत्ति पर निर्भर करता है।
• इस व्याख्या ने आइंस्टीन को भौतिकी में नोबेल पुरस्कार दिलाया और सौर कोशिकाओं के विकास की नींव रखी।

सौर सेल सिद्धांत एवं काम:

• जब सूर्य का प्रकाश सौर सेल से टकराता है, तो इलेक्ट्रॉन आने वाले फोटॉनों द्वारा बाहर निकल जाते हैं, जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। 
• फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को अधिक गहराई से समझने से अधिक कुशल सौर सेल बन सकते हैं और इसमें शामिल मौलिक भौतिकी की हमारी समझ भी बढ़ सकती है।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के अध्ययन में प्रगति

• 20वीं सदी के उत्तरार्ध में, इलेक्ट्रॉनिक्स और प्रकाशिकी में प्रगति ने भौतिकविदों को अभूतपूर्व सटीकता के साथ फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का अध्ययन करने में सक्षम बनाया।
• इस शोध में एक महत्वपूर्ण उपकरण अल्ट्राशॉर्ट लाइट पल्स का उपयोग रहा है। पिछले वर्ष ही, तीन भौतिकविदों को इन पल्स के विकास में उनके योगदान के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था, जो अत्यधिक सटीक अवलोकन देते हैं।
• इन पल्स के महत्व को समझने के लिए, कैमरे से छवि कैप्चर करने के सादृश्य पर विचार करें।
• छवि की स्पष्टता एक्सपोज़र समय पर निर्भर करती है: उड़ान में पक्षी के पंखों को बिना धुंधलेपन के कैप्चर करने के लिए, एक्सपोज़र समय पंख को हिलाने में लगने वाले समय से कम होना चाहिए।
• इसी तरह, प्रकाश के अल्ट्राशॉर्ट पल्स भौतिकविदों को अल्पकालिक घटनाओं को कैप्चर करते समय परमाणुओं या अणुओं को रोशन करने की अनुमति देते हैं।
• शुरुआती अध्ययनों में भारी परमाणु नाभिक की जांच के लिए फेमटोसेकंड पल्स (10⁻¹⁵ सेकंड) का इस्तेमाल किया गया था। हाल ही में, एटोसेकंड पल्स (10⁻¹⁸ सेकंड) के विकास ने वैज्ञानिकों को परमाणुओं के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों की गति जैसी और भी तेज़ प्रक्रियाओं का अध्ययन करने में सक्षम बनाया है।

फोटोआयनीकरण विलंब और इसका महत्व

• हाल के अध्ययनों का एक प्रमुख फोकस फोटोआयनीकरण विलंब है, यह एक संदर्भ घटना एवं एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होने के बीच का समय है।
• यह विलंब पदार्थ की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। यह इलेक्ट्रॉनों और उनके पर्यावरण के बीच की अंतःक्रियाओं से उत्पन्न होता है, जिसे अक्सर अणु की संरचना से संबंधित क्षमता द्वारा दर्शाया जाता है।
• इन विलंबों को समझने से भौतिकविदों को अणुओं के लिए सैद्धांतिक मॉडल विकसित करने में मदद मिल सकती है, जिससे उन्हें संभावित रूप से विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक गुणों वाली सामग्री डिजाइन करने की अनुमति मिलती है।
• उदाहरण के लिए, 2010 में, फ़ेरेनक क्राउज़ (2023 नोबेल पुरस्कार विजेताओं में से एक) और उनकी टीम ने एक नियॉन परमाणु में निकट अंतरित ऊर्जा स्तरों से दो इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन के बीच 20-एटोसेकंड की देरी की खोज की।
•  हाल ही में, मैड्रिड के स्वायत्त विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस धारणा को चुनौती दी कि एक परमाणु का नाभिक फोटोआयनीकरण को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करने के लिए बहुत धीमा है।
• उन्होंने पाया कि नाभिक की गति, बस कुछ एटोसेकंड में, हाइड्रोजन अणु (H₂⁺) में इलेक्ट्रॉनों के फोटोआयनीकरण विलंब को काफी हद तक बढ़ा सकती है।
• अगस्त 2024 में प्रकाशित एक और हालिया अध्ययन में, कैलिफ़ोर्निया में SLAC नेशनल एक्सेलेरेटर प्रयोगशाला के शोधकर्ताओं ने नाइट्रिक ऑक्साइड (NO) अणुओं में ऑक्सीजन और नाइट्रोजन परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों के फोटोइमिशन में अप्रत्याशित रूप से बड़ी देरी की सूचना दी।
• उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया जो एटोसेकंड-भौतिकी सेटअप में कोर इलेक्ट्रॉनों (गैर-वैलेंस इलेक्ट्रॉन जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं में भाग नहीं लेते हैं) को बाहर निकालने के लिए पर्याप्त ऊर्जा वाले फोटॉन का उत्पादन करने में सक्षम है।
• यह एक्स-रे शासन में फोटोइमिशन विलंब का पहला माप था, जो पराबैंगनी शासन पर केंद्रित पिछले अध्ययनों से आगे बढ़ा।

हाल के शोध से अंतर्दृष्टि

• SLAC शोधकर्ताओं ने पाया कि ऑक्सीजन में कोर इलेक्ट्रॉन नाइट्रोजन में एक ही समय में नहीं बल्कि 700 एटोसेकंड बाद उत्सर्जित हुए थे।
• देरी को कई कारकों के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था, जिसमें आकार एवं प्रतिध्वनि भी शामिल है, जहां एक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा और तरंगदैर्ध्य अणु के संभावित अवरोध के साथ प्रतिध्वनित होती है, जिससे इलेक्ट्रॉन 'फंस' जाता है।
• इसके अतिरिक्त, अन्य इलेक्ट्रॉनों के साथ बातचीत, जैसे कि ऑगर-मेटनर इलेक्ट्रॉनों के साथ टकराव, ने फोटोएमिशन में और देरी की।
• ये निष्कर्ष उन निष्कर्षों को दोहराते हैं यथा 2016 के एक अध्ययन में पानी और नाइट्रस ऑक्साइड (N₂O) अणुओं में फोटोआयनीकरण देरी की जांच की गई।
• अध्ययन में पाया गया कि N₂O में देरी 160 एटोसेकंड तक पहुंच गई, जो पानी की तुलना में काफी अधिक है। शोधकर्ताओं ने इन देरी का कारण आकार प्रतिध्वनि को बताया, जो अणु के विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के भीतर इलेक्ट्रॉनों को फंसाता है।

भविष्य के अनुसंधान और अनुप्रयोगों के लिए निहितार्थ

हाल ही में की गई खोजों का विभिन्न क्षेत्रों, जिसमें पदार्थ विज्ञान और जैव रसायन शामिल हैं, पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा है, जैसे-

एक्स-रे-पदार्थ अंतःक्रियाओं को आगे बढ़ाना

• नए निष्कर्ष पदार्थ के साथ एक्स-रे अंतःक्रियाओं की हमारी समझ को बढ़ाते हैं, जो SLAC जैसी सुविधाओं में प्रोटीन और वायरस इमेजिंग जैसे अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।
• फोटोएमिशन देरी को मापने की क्षमता में सुधार करके, शोधकर्ता वास्तविक दुनिया की प्रणालियों में इलेक्ट्रॉन सहसंबंधों की जांच करने के लिए नए तरीके विकसित कर रहे हैं।

इलेक्ट्रॉनिक्स और जैव रसायन में संभावित अनुप्रयोग

•  इलेक्ट्रॉन सहसंबंध को समझना पदार्थों के गुणों को परिभाषित करने और उन्हें समायोजित करने के लिए महत्वपूर्ण है।
• इस क्षेत्र में प्रगति से आणविक स्तर पर इलेक्ट्रॉनिक व्यवहारों पर बेहतर नियंत्रण हो सकता है, जिससे अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स को डिजाइन करने और जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं में गहरी अंतर्दृष्टि प्राप्त करने की संभावनाएँ खुल सकती हैं।

निष्कर्ष

इन मूलभूत प्रक्रियाओं की खोज करके, शोधकर्ता न केवल ब्रह्मांड के बारे में हमारी समझ को गहरा कर रहे हैं, बल्कि व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए आधार भी तैयार कर रहे हैं, जिनकी अभी तक पूरी तरह से कल्पना नहीं की जा सकती है। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का अध्ययन ऐसी अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकता है जो भविष्य की तकनीकों को ऐसे तरीकों से बदल सकती है जो प्रारंभिक क्वांटम भौतिकी अनुसंधान के ऐतिहासिक प्रभाव को प्रतिबिंबित करती हैं।

स्रोत- द हिंदू